Ảnh hưởng của các điều kiện môi trường lên tính chất của nam châm kết dính loại NdFeB và nghiên cứu ứng dụng các nam châm kết dính NdFeB để thay thế và chế tạo một số thiết bị điện

Project Title: ‘ The influence of environment condition on the properties of the NdFeB bonded magnets and application research of the NdFeB bonded magnets for replacing and making some e

I ớ n h ơ n 9MG0e v à đ ư ờ n g c o n g k h ử t ừ c ó d ạ n g v u ô n g l ớ n Đ i ề u đ ó d ẫ n d ê n

ổ n đ ị n h đ i ể m l à m v i ệ c c h o v i ệ c ứ n g d ụ n g n a m c h â m

- Đ ã c h o t h ấ y s ự s u y g i ả m m ộ t v à i t h ô n g s ố t ừ d ư ớ i t á c d ụ n g c ủ a n h i ệ t đ ộ v à

m ô i t r ư ờ n g n h i ệ t ẩ m , đ ã d ư a ra s ự p h ụ t h u ộ c c ủ a c á c t h ô n g s ố B r, H t , ( B H ) m a x p h ụ t h u ộ c v à o t ừ t r ư ờ n g n a p

- C á c n a m c h â m k ế t d í n h N d F e B c ó t h ể s ử d ụ n g t r o n g t h i ế t b ị m á y đ i ể m h o ả

đ ể t h a y t h ế c á c n a m c h â m k h á c c ũ n g n h ư d ù n g đ ể c h ế t ạ o h o ặ c t h a y t h ế c á c

n a m c h â m A l N i C o , T i C o N a l t r o n g c á c đ ộ n g c ơ 1 c h i ề u l o a i n h ỏ .

- N a m c h â m c h ê ' t ạ o t ừ b ă n g k h ô n g q u a x ử lí n h i ệ t c ó t í c h n ă n g l ư ợ n g c ư c đ ạ i rất t h ấ p ( c ỡ ố M G O e ) d o đ ư ờ n g c o n g k h ử t ừ b ị l õ m

l ớ n h ơ n 9 M G 0 e v à đ ư ờ n g c o n g k h ừ t ừ c ó d ạ n g v u ô n g l ớ n Đ i ề u đ ó d ã n đ ê n

ổ n đ ị n h đ i ể m l à m v i ệ c c h o v i ệ c ứ n g d ụ n g n a m c h â m

- Đ ã c h o t h ấ y s ự s u y g i ả m m ộ t v à i t h ô n g s ô từ d ư ớ i t á c d u n g c ù a n h i ê t đ ộ v à

m ô i t r ư ờ n g n h i ệ t ẩ m , đ ã đ ư a ra s ự p h ụ t h u ộ c c ủ a c á c t h ô n g s ố B r, H t , ( B H ) m a x p h ụ t h u ộ c v à o t ừ t r ư ờ n g n ạ p

8- Tình hình kinh phí của đề tài :

*Tổng kinh phí được cấp: 18 triệu đồng Việt nam

- K inh ph í năm 2 0 0 2: 8 t r i ệ u đ ồ n g V i ệ t n a m

- Kinh phí năm 2003: 1 0 t r i ệ u đ ồ n g V i ệ t n a m

Đ ã q u y ế t t o á n v ớ i t à i v ụ x o n g

4

S U M M A R Y R E P O R T

I Project Title:

‘ The influence of environment condition on the properties of the NdFeB bonded magnets and application research of the NdFeB bonded magnets for replacing and making some electrical divices’

II Project Director: A s s P r o f D r Luu T u a n T a i

- In the h eat a n d h u m ir ity e n v i r o m e n t w ith t h i c k n e s s o f th e e p o x y la y e r c o v e r about

5 0 [im, the b o n d e d m a g n e t s fa b rica ted b y rib b o n s o f G e n e r a l m o t o r c o m p a n y is

g o o d but w h i c h fa b rica ted b y ribbon o f C h i n i e s is n ot e n o u g h to p rotect the

o x i d a t i o n p r o c e s s

7

đê tạo ra các sản phẩm có nãng lượng g iả m đi kh oả n g 1/3 năng lượng đều k h ó thực

h iệ n và đều là m c h o cơ tín h cùa nam châm g iảm đ i rất n h iề u

T in h trạ n g cùa nam châm kết dín h lạ i khác hoàn toàn B ằng phương pháp ép

k h u ô n hoặc ép dùn, do k h ô n g cần phải xử lý n h iệ t ở n h iệ t độ cao, các sản phẩm tạo

ra có thể đạt tới độ d u n g sai rất nhỏ, độ nhẵn cao và k h ô n g cần phải g ia cô n g cơ học M ộ t ưu đ iể m n ổ i bật nữa của các băng (rib b o n ) dạng v i hạt là bao g ồ m các hạt

có độ cứng cao, c h ịu được m à i m ò n , ít b ị ô x y hoá bởi m ô i trường N h ờ có nhữ ng ưu

đ iể m đó m à các bâng N d F e B được ứng dụng là m nam ch âm kết d ín h và tỷ phẩn

ch iế m n gà y càng cao tro n g toàn bộ k h ỏ i lượng nam châm được ứng dung Theo

th ố n g kê của BBC In c , U S A vào năm 2000 th ì th ị truờ ng nam châm ở M ỹ vào năm

1997, 1999 và ước tín h vào năm 2004 như trên bảng 1 [2 ], cò n ở T ru n g q u ố c nam châm k ế t d ín h N d F e B năm 1998 tiêu thụ 180 tấn năm 1999 là 270 tấn

V iệ c sản x u ấ t v ậ t liệ u N d F e B dang băng cần p h ả i thưc h iệ n trê n m ộ t th iế t hi cỏ

m ò i trư ờ ng bảo vệ ch ỏ n g ô x y hoá, th iế t bi này khá dắt tiề n G ần đây nhờ có tiế n bô

k ỷ th u ậ t và thương m ạ i hoá tro n g lĩn h vực sản xu ấ t vật liệ u , các băng Uurơng m ai dã được bán rộ n g rãi trê n th ị trường Đ iề u đó g iú p ch o việc n g h iê n cứu, ứng đun g trờ ncn thực tế và dễ dàn g hơn, ngay cả các cơ sờ kh ô n g có đủ diều k iệ n tra ng bị đàu tư

th iế t b ị đắt tiề n

n g h iê n cứu kh oa học vé lo ạ i vật liệ u bãng này và nam châm k ế t d ín h dược sản xuất

từ ch ún g Đ â y c ũ n g là m ộ t Iro n g những m ục tiê u đặt ra ch o các nhà n g h iê n cứu mà

ỏé là i n à y sẽ đ ó n g g ó p m ộ t phần tro n g chương trìn h dó

II Nội dung chính :

và có ch iề u dày là 3 5 p m M ầ u bảng sáng bóng (k h ô n g g ỉ) m ặc dù để ngoài kh ô n g

k h í tro n g thờ i g ia n dài (2 năm )

Đ o dường co n g từ trễ m ẫu băng bằng từ k ế m ẫu ru n g V S M có từ trường cưc đại 1,3T theo các phương song song và vu ôn g góc với m ật hăng MĂU trước k h i d o clươc

từ hoá lớ i từ trường 9 T bằng từ trường xu n g K ế t quả nhân dược trên hình ! 2

H(Oe)

H ìn h ỉ 2 Đ o m a u b ă n g b á n g V S M ¡h eo c á c h ư ớ n g s o n g s o n (Ị v à v u ô n g í!ó c

Từ dường c o n g trên ta th ấ y góc phần tư thứ 2 bị lõ m làm năng l ương lù (MI rất thấp (c h ỉ cỡ 4 M G O e ) đ ổ n g thời đ iểm làm việc k h ô n g ổn đ ịn h và kh ô n g tho ứng dụng được, nhất là tro n g các th iế t bị động

1 2 N g h i ê n c ứ u c h ẻ đ ộ x ử l ý n h i ệ t ả n h h ư ờ n g đ ế n c á c t í n h c h ấ t c ù a b â n g

Từ g ià n đ ồ X R D , A F M và đường cong từ trễ ta th ấ y sự ảnh hường đến hình dạne đường co n g từ trễ là do pha vô đ ịn h hìn h còn lại tro n g vệt liệ u Pha vô đ ịn h hình ỉit pha k h ô n g có k h ả năng c h ố n g lại tác d ụn g từ trường ngo à i (từ m ể m ) và làm giảm

m ạnh lực k h á n g từ H c V ì v ậ y việ c lo a i bỏ pha này là rất cần th iế t để tăng lực kháng

từ và cài th iệ n h ìn h dạng đường cong (theo hướng v u ô n g )

N g h iê n cứu về n h iệ t dô h ìn h thành pha a -Fe và Fe-,13 bằng phân tíc h n h iệ t vi sai

D T A [1 4 ] cho Ih ấ y n h iệ t độ c h u y ể n pha của a -F e là cỡ 580(lc còn pha Fe^B vào cỡ

620" c

Pha a -F e và Fe^B là 2 pha từ m ềm , k h i k íc h thước hạt đủ nhò (cỡ < 3 5 n m là khoảng cách tương tác trao đ ổ i) th ì do tương tác trao đ ổ i nó là m tăng m ô m en từ dư

M r lén dáng kể (đặc b iệ t là tác dụn g của pha a -F e do M s rấ t lớn cỡ 2 ,2 T ) mà vẫn dảm bảo độ v u ô n g góc ở đường cong từ trễ C òn k h i k íc h thước pha này lớn hơn

kh oá n g cách tương tác tra o đ ổ i thì sẽ kh ô n g có sự tương tác từ là m dường cong từ trễ

b ị tách là m 2 pha phân b iệ t, m ộ t pha từ cứng và m ộ t pha từ m ềm

N hư v ậ y v iệ c ch ọ n n h iệ t độ và thờ i gian xừ lý n h iệ t là hết sức quan trọ n g , với

700(,c, 750°c, 800(lc tro n g thờ i g ia n 15 phút D o các băng rấ t m ỏ n g (như dã khảo sát) ncn rát dễ b ị ô x y hoá, v ì vậ y m ẫu th í n gh iệ m cần phải h ú t chân k h ô n g bằng bơm

kh uế ch tán tới áp suất tố i th iể u cỡ 10'^torr

M ẫ u sau k h i xử lý n h iệ t được phân tíc h X R D , k ế t quả trên phụ lục I, từ đó ta thấy với ch ế độ 5 5 0 " c pha Ct-Fe đã bắt đầu phát triể n nhưng cò n ở mức độ rất ít (trẽ n vạch 4 4,7°, vạch này là m ộ t Iro n g những vạch m ạnh nhất của a -F e ), đô lớn lẽn của tin h thể pha 2:14:1 là k h ô n g đáng kể T u y n h iê n k h i ở c h ế (lộ > 6 5 0 "c thì cường dộ các vạch của pha 2:14:1 tăng khá rõ (sự lớn lên của tin h thể), (lổng thời vạch của pha a -F e cũ ng m ạnh lên điều đó chứng tỏ rằng cùng với sư tăng cùa nhiọi

độ thì lỷ lượng pha này cũ n g tăng lên đáng kể

Các m ẫu băng chưa xử lý và đã xừ lý ở các ch ế dộ trên được cân với k h ố i lượng 6.10 4g và do dường co ng lừ trễ trên m áy V S M với từ trường cực (lại 1,3 T then phương song song với m ặ t băng, trước k h i đo được từ hoá tới 9 T kết quà dược bio’ll

th ị trên h ìn h 1.3

Từ h ìn h 1.3 ta th ấ y k h i tăng n h iệ t độ xử lý lên 7 0 0 ° c th ì H c tăng, B r g ià m còn

k h i tăng tiế p lên 7 5 0 ° c và 8 0 0 ° c th ì xu hướng la i ngược lạ i, tức là B r tăng còn ] ỉc lại

g iả m Đ iề u này có thể g iả i th íc h như sau: Ban đầu hăng chứa m ộ t phán pha vô (linh

h ìn h khá lớn và k íc h thước các hạt nano rất nhỏ hơn kh o ả n g cách tương tác trao đổi (~ 3 5 n m ) do đó lực k h á n g từ H c nhỏ K h i tăng n h iệ t độ xử lý , phần pha vô đ ịn h hình

bị tin h thể hoá và các hạt VI tin h thể lớn lên làm tăng H c và B r giảm m ộ t chút do pha

vò đinh hình m ất đi còn pha oc-Fe m ớ i sin h ra vớ i tỷ lượng còn thấ p và B r g iả m theo

13

Pha a -F e và F e 3B là 2 pha từ m ề m , k h i k íc h thước hạt đủ nhò (cỡ < 3 5 n m là

kh oả n g cách tương tác tra o đ ổ i) th ì do tương tác trao đ ổ i nó fàm tăng m ô m en từ dư

M r lên đáng kổ (đ ặ c b iệ t là tác dụn g của pha a -F e do M s rấ t lớn cỡ 2,TY) m à vẫn đảm bảo độ v u ô n g góc ở đường cong từ trễ Còn k h i k íc h thước pha n à y lớn hơn

kh oá n g cách lư ơng tác trao đ ổ i th ì sẽ k h ô n g có sự tương tác từ là m đường cong từ trễ

bị tách làm 2 pha phân b iệ t, m ộ t pha từ cứng và m ộ t pha từ m ểm

N h ư v ậ y việ c ch ọ n n h iệ t độ và thời gian xử lv n h iệ t là hết sức quan trọ n g , với

700°c, 750°c, 800°c tro n g thời gian 15 phút D o các băng rất m ỏ n g (như đã khảo sát) ncn rấ t dễ b ị ô x y hoá, vì vậ y m ẫu th í n g h iệ m cẩn phải hút chân kh ố n g báng bơm khuếch tán tới áp suất tố i th iể u cỡ 10 storr

M ẫ u sau k h i xử lý n h iệ t được phân tích X R D , k ế t quả trê n phụ lụ c 1, từ đó ta

(trùn vạch 44,7°, vạch n à y là m ộ t tro n g những vạch m anh nhất của a -F e ) độ lớn lên của tin h thể pha 2:14:1 là kh ô n g đáng kể T u y n h iê n k h i ở c h ế độ > 6 5 0 n( ' thì cường dộ các vạch của pha 2:14:1 tăng khá rõ (sự lớn lên của tin h th ể ), clổng thời vạch cùa pha a -F e c ũ n g m ạnh lên đ iề u đó chứng tỏ rằng cùng với su tăng cùa nlìiệt

dỏ ih ì lỷ lượng pha này cũ n g tăng lên đáng kể

Các m ẫu băng chưa xử lý và đã xử lý ở các chế độ trên dược cân với k h ố i lương

6 1 0 '4g và do đường co n g từ trễ trên m áy V S M với lừ trường cực dại 1.3 T llic o phương song song vớ i m ặt băng, trước k h i đo được từ hoá tới 9 T kết quả dược hielt thị trên h ìn h 1.3

T ừ hình 1.3 ta th ấ y k h i tăng n h iệ t độ xử lý lên 7 0 0 nc th ì H c (ăng, B r g ià in còn

k h i tăng tiế p lèn 7 5 0 ° c và 8 0 0 ° c th ì xu hướng lạ i ngược lạ i, tức là B r tăng còn I lc lại

g iả m Đ iề u này có thể g iả i ih íc h như sau: Ban đầu băng chứa m ô t phần pha vô đ ịn h hìn h khá lớn và k íc h thước các hạt nano rấ t nhỏ hơn k h o ả n g cách tương tác trao đổi (~ 3 5 n m ) do đó lực k h á n g từ H c nhỏ K h i tăng n h iệ t độ xử lý , phần pha vô đ ịn h hình

bị tin h thể hoá và các hạt v i tin h thể lớn lèn làm tăng H c và Br giảm m ộ t ch ú t do pha

vô đ ịn h hình m ất đ i còn pha cc-Fe m ớ i sin h ra với tỷ lượng còn th ấ p và B r g iả m llie o

dộ táng của k íc h thư óc hạt [1 5 ]

'1 -5 -1.0 -0.5 0 0

H(T)

Hình 1.3 Đường cong từ trẻ của các mẫu băng theo phương song song với mặt hăng

ở c h ế độ xử lý nhiệt khác nhau (000°C: chưa xử lý)

HCT)

I lình ỉ 3 Đường cong từ trễ của các mẫu băng theo phương song song với mật băng

ở c h ế độ xử lý nliiệt khác nhau (000° c : chưa xử lý)

X 100.000 nn/div

2 50.000 nn/diuNdFeB 700

Hình ỉ 4 ảnh AFM mầu băng xử iỷ ở 750nc

14

T u y n h iê n k h i n h iệ t độ xử lý q uá 700°c th ì lượng Ct-Fe đủ lớ n để là m tăn g B r lèn đáng kể còn H c g iả m có thể do n hiề u n gu y ê n nhân tro n g đ ó có n gu y ê n nhân của sự

g iả m số lượng các tâm p in n in g C hụp ảnh A F M m ẫu xử lý ở 7 5 0 ° c ch o trên hìn h 1.4 T ừ hìn h 1.4 ta th ấ y rõ sự lớn lên của tin h thể sau k h i xử lý n h iệ t (so với hìn h

1 1 )

V õ lạ i các đường co n g trê n h ìn h 1.3 theo B (H ) và ( B H ) ma)( ta được h ìn h 1.5 Từ hình 1.5 ta th ấ y c h ế độ xử lý cho năng ỉượng từ tố t nhấ t ( ( B H ) maxcỡ 1 0 ,5 M G O e ) là ở

7 50('C D u y tr ì n h iệ t đ ộ ở các ch ế độ 7 0 0 (,c , 7 5 0 ° c , 8 0 0 ° c th a y đ ổ i thờ i g ia n x ù lý 5; 10; 15; 20; 25 p h ú t, k ế t quả đ o trê n V S M cho th ấ y ch ế độ tố t nhất c h o năng lương từ cực đại ( B H ) max =11 M G O e là 7 5 0 nc tro n g thờ i gian là 2 0 phút

H ìnlil 5 Đường cong B(H) và (BH)max của các c h ế độ xử lý nhiệt

1 3 C h é t ạ o m ẫ u n a m c h â m k ế t d í n h t ừ b ă n g s a u k h i x ử l ý

Băng xử lý ở c h ế đ ô 7 5 0 ° c được n g h iề n tới k íc h thước tru n g b ìn h cỡ 130f.ưn ,

dược p o ly m e hoá ở 1 3 5 ° c tro n g thờ i g ia n 1 giờ

Đ o tỷ trọ n g , độ cứ ng và các ih ô n g số từ bàng từ trư ờ ng x u n g tớ i 9 T cho k ế t quà trên bảng 2

xử lý với 2 % ke o, đ o m ẫ u trê n từ trường x u n g cả hai c h ế đ ộ ta th u được đường cong

từ trỗ hìn h 1.6, đường B (H ) và (B H )max hìn h 1.7 , năng lư ợng từ ( B H ) max của ch ế độ chưa xử lý đạt cỡ 4 ,5 M G O e , cò n ch ế độ 7 5 0 ° c đạt 9 ,0 M G O e

H( T )

Hình 1.6 Đường cong lừ trễ của mẫu bột nam châm kết dính 2% keo ỏ c h ế độ xử lý

nhiệt 750"c trong 20 phút và mẫu chưa xử ỉỷ

16

Hình 1.7 Đường cong B(H) và (BH)max của mẫu bột nam châm kết dính 2 % keo ở

c h ế độ xử lý nhiệt 750°c trong 20 phút và mẫu chưa xử lý

2 A n h h ư ở n g c ủ a m ộ t s ô t h a m s ỏ đ ế n t í n h c h ấ t t ừ c ủ a v ậ t l i ệ u

2.1 S ự phụ thuộc của H c,Br, (B H )max vào từ trường nạp.

T ro n g thưc tố c h ế tạo nam ch âm , từ trường nạp ch o nam ch âm thư ờng thấp hơn

n h icu so với từ trường đo và càng thấp hơn so vớ i từ trư ờ ng bão hoà của vật liệ u nhất

là đ ối với vật liệ u nam châm kết d ín h N d -F e -B

1 0

Ö

0

1 0H(T)

Hình ỉ 8 Sự phụ thuộc (BH)mai vào (ứ trường nạp.

V iệ c xá c đ ịn h các th ô n g số từ phụ th u ộ c vào từ trường nạp là rấ t cần th iế t vì nó cho phép xá c đ ịn h m ức đô đạt được năng lượng từ ứng với g iá tr ị từ irư ờng ngo à i đặt vào

M ảu hìn h trụ d ù n g để kh ả o sát các đặc trư ng từ có k íc h thước: cr>4, 1=3 m m

H( T )

Hình Ị 9 Sự phụ thuộc Br, Hc vào từ trường nạp.

Từ hìn h 1.8 và 1.9 ta th ấ y từ trường tố i th iể u để nạp từ đ ố i với vật liệ u này vào

cỡ 6 T và từ trường bão hoà rấ t lớn (> 1 0 T ), tro n g k h i với F e rit B a ri từ trường hãn hoà chỉ cỡ 1,5 T [3 ], cò n đ ố i vớ i m ẫu N d F e B th iê u k ế t từ trường nạp tố i th iể u c h ỉ cỡ 2 T

Sự khó bão hoà có thể g iả i th íc h do đ â y là vật liệ u M Q 1 g ồ m các băng m ỏ n g , ừ trang thái này liê n k ế t từ tro n g vậ t liệ u k h ô n g còn là liê n kế t cộ n g tu y ế n nữa Các d oin e n lừ

có cấu trú c g óc, do vật để từ hoá ch ú n g tới trạ ng th á i bão hoà cần phải có từ trường

đ ịn h hướng cao hơn rấ t n h iề u so với trường hợp cộng tu y ế n N g o à i ra di hướng hề m ặt cùa vật liê u đón g va i trò quan trọ n g th ậ m tr í lớn hơn n h iề u so với d ị hướng từ k h ố i cũn« góp phần là m ch o vật liệ u k h ó bị từ hoá bão hoà [1 0 ]

18

2 2 1 Ả n h h ư ở n g c ủ a n h i ệ t đ ộ

M ẫ u được c h ế tạo the o k íc h thước đo ở từ trư ờ ng x u n g cao (d>4, 1=3 m m )sau đó phủ ke o e p o x y 2 th à n h phần với lớp phủ dày 50 ụ m và được ủ tro n g tủ sấy ở đ iề u k iệ n

n h iệ t độ 7 0 ° , 100°, 1 3 0 ° c và độ ẩm k h ô n g k h í b ìn h thư ờng tro n g thờ i g ia n 200 giờ , cứ

24 g iờ lấ y m ẫu ra và đo lạ i các th ô n g số từ K ế t quả sự phụ th u ộ c của nâng lượng từ vào thời gian và n h iệ t độ được thể hiện trên h ìn h 1.10

2.2 Ảnh hưởng của môi trường đến các tính chất của vật liệu.