nghiên cứu công nghệ chế tạo nam châm thiêu kết NdFeB kháng từ cao (LA tiến sĩ)

nghiên cứu công nghệ chế tạo nam châm thiêu kết NdFeB kháng từ cao (LA tiến sĩ)nghiên cứu công nghệ chế tạo nam châm thiêu kết NdFeB kháng từ cao (LA tiến sĩ)nghiên cứu công nghệ chế tạo nam châm thiêu kết NdFeB kháng từ cao (LA tiến sĩ)nghiên cứu công nghệ chế tạo nam châm thiêu kết NdFeB kháng từ cao (LA tiến sĩ)nghiên cứu công nghệ chế tạo nam châm thiêu kết NdFeB kháng từ cao (LA tiến sĩ)nghiên cứu công nghệ chế tạo nam châm thiêu kết NdFeB kháng từ cao (LA tiến sĩ)nghiên cứu công nghệ chế tạo nam châm thiêu kết NdFeB kháng từ cao (LA tiến sĩ)nghiên cứu công nghệ chế tạo nam châm thiêu kết NdFeB kháng từ cao (LA tiến sĩ)nghiên cứu công nghệ chế tạo nam châm thiêu kết NdFeB kháng từ cao (LA tiến sĩ)nghiên cứu công nghệ chế tạo nam châm thiêu kết NdFeB kháng từ cao (LA tiến sĩ)nghiên cứu công nghệ chế tạo nam châm thiêu kết NdFeB kháng từ cao (LA tiến sĩ)nghiên cứu công nghệ chế tạo nam châm thiêu kết NdFeB kháng từ cao (LA tiến sĩ)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM

KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM

KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS.TS NGUYỄN HUY DÂN

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Nguyễn HuyDân người Thầy đã dành cho tôi sự động viên, giúp đỡ tận tình và những địnhhướng khoa học hiệu quả trong suốt quá trình thực hiện luận án này

Tôi xin cảm ơn sự chỉ bảo, giúp đỡ và khích lệ của GS.TS Nguyễn QuangLiêm, PGS.TS Lê Văn Hồng, PGS.TS Vũ Đình Lãm và PGS.TS Đỗ Hùng Mạnh

đã dành cho tôi trong những năm qua

Tôi xin được cảm ơn sự cộng tác và giúp đỡ đầy hiệu quả của PGS.TS LưuTiến Hưng, NCS Nguyễn Hải Yến, NCS Nguyễn Thị Mai, NCS Dương ĐìnhThắng, NCS Nguyễn Mẫu Lâm, NCS Nguyễn Văn Dương, ThS Đinh Trần Thêu

và các cán bộ, đồng nghiệp khác trong Viện Khoa học vật liệu - Viện Hàn lâm Khoahọc và Công nghệ Việt Nam, nơi tôi hoàn thành luận án

Tôi xin trân trọng cảm ơn sự giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi của cơ sở đàotạo là Học viện Khoa học và Công nghệ cùng Viện Khoa học vật liệu - Viện Hànlâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, cơ quan mà tôi công tác, trong quá trìnhthực hiện luận án

Luận án này được hỗ trợ kinh phí của Phòng thí nghiệm Trọng điểm về Vậtliệu và Linh kiện Điện tử, đề tài Khoa học Công nghệ cấp Viện Hàn lâm Khoa học

và Công nghệ Việt Nam, mã số VAST03.05/16-17 và Nhiệm vụ hợp tác quốc tếsong phương về khoa học và công nghệ cấp Bộ Giáo dục và Đào tạo, mã số07/2012/HĐ-HTQTSP Công việc thực nghiệm của luận án được thực hiện tạiPhòng thí nghiệm Trọng điểm về Vật liệu và Linh kiện Điện tử và Phòng Vật lý Vậtliệu Từ và Siêu dẫn, Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệViệt Nam

Sau cùng, tôi muốn gửi tới tất cả những người thân trong gia đình và bạn bèlời cảm ơn chân thành nhất Chính sự tin yêu mong đợi của gia đình và bạn bè đãtạo động lực cho tôi thực hiện thành công luận án này

Tác giả luận án

Phạm Thị Thanh

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kếtquả nêu trong luận án được trích dẫn lại từ các bài báo đã được xuất bản của tôi vàcác cộng sự Các số liệu, kết quả này là trung thực và chưa từng được ai công bốtrong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận án

Phạm Thị Thanh

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Dsd : Kích thước tới hạn đơn đômen

H, Hext : Từ trường ngoài

HA : Trường dị hướng

Hc : Lực kháng từ

Heff : Trường hiệu dụng

HP : Trường dịch chuyển vách đômen

Hsmax : Trường bão hòa dương cực đại

K1 : Hằng số dị hướng từ tinh thể

Mm, Mv : Từ độ theo khối lượng, thể tích

Ms, Mr : Từ độ bão hòa, từ độ dư

tN : Thời gian nghiền

 : Pha từ cứng Nd2Fe14B

 : Pha giàu B Nd1+Fe4B4

 : Năng lượng bề mặt riêng

0 : Độ từ thẩm trong chân không

w(x) : Năng lượng vách đômen phụ thuộc vị trí

II DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

BF-TEM : Hiển vi điện tử truyền qua trường sángEDX : Phổ tán xạ năng lượng tia X

HCPT : Hợp chất pha thêm

HD : Phương pháp tách trong hyđrô

HDDR : Phương pháp tách vỡ tái hợp trong hyđrôHRTEM : Hiển vi điện tử truyền qua độ phân giải caoNCVC : Nam châm vĩnh cửu

RE : Kim loại đất hiếm

RIP : Ép đẳng tĩnh khuôn cao su

SAED : Nhiễu xạ điện tử lựa chọn vùng

SEM : Kính hiển vi điện tử quét

TEM : Kính hiển vi điện tử truyền qua

TM : Kim loại chuyển tiếp

VLTC : Vật liệu từ cứng

XLN : Xử lý nhiệt

XRD : Nhiễu xạ tia X

Hình 1.3 Tỉ phần so với các loại nam châm khác (a) và một số ứng dụng (b) của

nam châm vĩnh cửu Nd-Fe-B [39, 112]

Hình 1.4 Vi cấu trúc của nam châm thiêu kết Nd-Fe-B [38]

Hình 1.5 Vi cấu trúc điển hình của nam châm thiêu kết Nd-Fe-B với trục c định

hướng song song [135]

Hình 1.6 Cấu trúc tinh thể pha Nd2Fe14B (a), nguyên tử B và 6 nguyên tử Fe (vị trí

e và k1) tạo thành hình lăng trụ đứng đáy tam giác (b) [41]

Hình 1.7 Ảnh lớp mỏng pha giàu Nd giữa các hạt [36]

Hình 1.8 Minh họa quá trình từ hóa, khử từ và vị trí trường tạo mầm HN[127].Hình 1.9 Đường từ hoá ban đầu và đường từ trễ của nam châm loại mầm đảo từ và

nam châm loại ghim vách đômen [113]

Hình 1.10 Vi cấu trúc của mầm đảo từ và ghim vách đômen Các mầm đảo từ có

thể ở trong hạt (A) hoặc biên hạt (B) và tâm hãm vách ở vị trí C [113].Hình 1.11 Các đường cong mô tả quá trình đảo từ của vật liệu có cấu trúc khác

nhau [3]

Hình 1.12 Minh hoạ đường từ trễ cho các loại nam châm khác nhau: tạo mầm đảo

từ ở vách (a), mầm đảo từ không đồng nhất và ghim vách đômen ở biênhạt (b), mầm đảo từ không đồng nhất và phân bố trong các hạt (c) [127].Hình 1.13 Một số tâm ghim vách đômen: các tâm nằm trên vách phẳng (a), tâm

dạng thanh (b) và tâm tròn (c) [37]

Hình 1.14 Hai loại sai hỏng (a) và năng lượng vách đômen phụ thuộc vào vị trí khi

không có từ trường ngoài (b) [14]

Hình 1.15 Sự phụ thuộc nhiệt độ của lực kháng từ trong một số nam châm vĩnh cửu

[45]

Hình 1.16 Các công đoạn trong quy trình chế tạo nam châm thiêu kết Nd-Fe-B, các

hình nhỏ kế bên minh họa rõ hơn các bước đó

Hình 1.17 Mặt cắt thẳng đứng của giản đồ pha ba nguyên Nd-Fe-B theo đường tỉ lệ

Nd/B = 2/1 [13]

Hình 1.18 Nguyên lý kỹ thuật nghiền cơ học (nghiền bi)

Hình 1.19 Nguyên lý kỹ thuật nghiền phun [48]

Hình 1.20 Quá trình tách vỡ trong hyđrô [3]

Hình 1.21 Từ trường đặt song song với hướng ép (a), từ trường đặt vuông góc với

hướng ép (b), ép đẳng tĩnh (c) và ép đẳng tĩnh trong khuôn cao su (d)[19]

Hình 1.22 Đường cong khử từ của nam châm thiêu kết chế tạo theo phương pháp

RIP [28]

Hình 1.23 Các giai đoạn xảy ra trong mẫu khi thiêu kết (initial state mixed

powders: bột ban đầu; solid state: trạng thái rắn; rearrangement: sắp xếplại; solution-reprecipitation: hòa tan-kết tủa; final densification: quá trình

cô đặc) [102]

Hình 1.24 Đường cong khử từ của mẫu tương ứng với vi cấu trúc sau quá trình

thiêu kết (as-sintered) và xử lý nhiệt (annealed) [45]

Hình 1.25 Sự phụ thuộc của kích thước hạt trung bình D và lực kháng từ Hc vào

thời gian nghiền tN[118]

Hình 1.26 Sự phụ thuộc của lực kháng từ Hcvào kích thước hạt D của vật liệu được

chế tạo bằng các phương pháp: thiêu kết (sintered), tách vỡ tái hợp trongkhí hydro (Hydrogenation Dispropotionation Desorption andRecombination-HDDR), phun băng nguội nhanh (melt spun) và màngmỏng (thin film) [44]

Hình 1.27 Đường cong từ hoá ban đầu và khử từ (a) của nam châm thiêu kết kích

thước hạt 3m (b) và 1 m (c) [44]

Hình 1.28 Sự phụ thuộc của lực kháng từ vào nhiệt độ và thời gian thiêu kết của

nam châm Nd5,1Fe78,4B6,1Ga0,1Cu0,3[26]

Hình 1.29 Lực kháng từ của nam châm (hình trái) tương ứng với bước thiêu kết

(sintering) và xử lý nhiệt (heat treatment) khác nhau (kí hiệu là a, b, c, d)[120]

Hình 1.30 Giản đồ xử lý nhiệt hai giai đoạn HT1 (a), HT2 (b) và sự phụ thuộc của

lực kháng từ vào nồng độ thêm vào của Dy/Al sau thiêu kết và xử lýnhiệt ở các chế độ trên (c) [77]

Hình 1.31 Đường cong khử từ của các mẫu Nd12,4Pr1,4B5,8Al0,3Cu0,1Co0,1Fe79,9 sau

thiêu kết (A), sau khi ủ ở 520oC (B) và 560oC (C) Hình phía trên là cácảnh SEM của mẫu tương ứng với chế độ thiêu kết và xử lý nhiệt [123].Hình 1.32 Sự phụ thuộc lực kháng từ của các nam châm vào thời gian ủ [52]

Hình 1.33 Minh họa sự thay thế của Dy cho Nd trong mạng tinh thể (a) và yêu cầu

về thông số từ của nam châm thiêu kết Nd-Fe-B trong một số ứng dụng:speaker - loa; digital camera - máy ảnh kỹ thuật số; head phones - tainghe; ABS sensor - máy cảm biến ABS; OA/FA motor - mô tơ OA/FA;air conditioner - điều hòa không khí; robot motor - mô tơ người máy;generator - máy phát điện; HV, EV motor - mô tơ điện, lai điện (b) [44,46]

Hình 1.34 Sự hình thành lớp vỏ (Nd,Dy)2Fe14B bao quanh hạt Nd2Fe14B (a) và ảnh

hưởng của cách đưa Dy vào nam châm (b) [70, 132]

Hình 1.35 Sự phát triển tích năng lượng (BH)max trong phòng thí nghiệm (a) và

đường cong khử từ của nam châm (a: sau thiêu kết, b: sau khi xử lý nhiệtmột giai đoạn, c: sau khi xử lý nhiệt hai giai đoạn) (b) [76, 130]

Hình 1.36 Một số sản phẩm ứng dụng của nam châm thiêu kết Nd-Fe-B [128].Hình 1.37 Đường đặc trưng từ của nam châm thiêu kết Nd-Fe-B thương phẩm

Trung Quốc

Hình 2.1 Quy trình chế tạo nam châm thiêu kết

Hình 2.2 Dây chuyền các thiết bị chế tạo nam châm: (a) Lò trung tần ZG-0,01J (5 ÷

10 kg hợp kim); (b) Máy đập hàm Pex-100×125 (80 kg/h); (c) Máynghiền thô DSB 500×650 (30 kg/mẻ); (d) Máy nghiền tinh Jet Milling

QLM-260 (60 kg/mẻ); (e) Máy ép định hướng ZCY25-200 (từ trường 20kOe); (f) Máy ép đẳng tĩnh DJY-120 (áp suất 25 MPa); (g) Lò thiêu kếtchân không nguội nhanh RVS-15G (15 kg/mẻ); (e) Máy nạp từ M8500(90 kOe).

Hình 2.3 Ảnh chụp bên trong cối nghiền thô (a) và cối nghiền tinh (b)

Hình 2.4 Sơ đồ khối của hệ nấu mẫu bằng hồ quang

Hình 2.5 Ảnh hệ nấu hợp kim hồ quang (a): (1) Bơm hút chân không, (2) Buồng

nấu mẫu, (3) Tủ điều khiển, (4) Bình khí Ar, (5) Nguồn điện; Ảnh bêntrong buồng nấu (b): (6) Điện cực, (7) Nồi nấu, (8) Cần lật mẫu

Hình 2.6 Máy nghiền cơ SPEX 8000D (a), cối và bi nghiền (b)

Hình 2.7 Thiết bị nhiễu xạ tia X Siemen D5000

Hình 2.8 Kính hiển vi điện tử quét HITACHI S-4800

Hình 2.9 Kính hiển vi điện tử truyền qua Philip CM20-FEG (gia tốc 200kV; Cs =

1,2) Tại Viện Vật lý, TU-Chemnitz, CHLB Đức

Hình 2.10 Kính hiển vi quang học Axiovert 40 MAT

Hình 2.11 Sơ đồ nguyên lý hệ đo từ trường xung

Hình 2.12 Hệ đo từ trường xung

Hình 2.13 Đường M(H) thu được từ hệ đo (a) và đường M(H) và B(H) đã được xử

lý và chuyển đổi đơn vị (b)

Hình 2.14 Sự phụ thuộc của hệ số khử từ N vào tỷ số L/d của mẫu hình trụ [8].Hình 2.15 Đường cong từ trễ của nam châm Nd-Fe-B chưa bổ chính (đường liền

nét) và đã bổ chính (đường đứt nét) ứng với mẫu hình trụ [8]

Hình 3.1 Đường từ trễ (a) và đường đặc trưng từ của các nam châm với hợp phần

Nd16,5Fe77B6,5(b) và Nd20,5Fe73B6,5(c)

Hình 3.2 Các nguyên liệu được xếp đặt (a) và hợp kim nấu chảy (b) trong lò trung

tần

Hình 3.3 Khuôn đúc (a) và khối hợp kim sau khi chế tạo trên lò trung tần (b)

Hình 3.4 Ảnh chụp bên trong khối hợp kim Nd16,5Fe77B6,5có (a) và không có (b) sự

kết tinh định hướng của các hạt Nd2Fe14B

Hình 3.5 Đường từ trễ của hợp kim Nd16,5Fe77B6,5được nghiền 3 h có (a) và không

có (b) sự kết tinh định hướng của các hạt Nd2Fe14B

Hình 3.6 Giản đồ XRD của hợp kim khối Nd16,5Fe77B6,5chưa nghiền (các vạch màu

đỏ thẳng đứng là giản đồ của mẫu chuẩn Nd2Fe14B)

Hình 3.7 Giản đồ XRD của hợp kim Nd16,5Fe77B6,5nghiền trong các dung môi khác

nhau với cùng thời gian nghiền 3 h

Hình 3.8 Đường từ trễ của hợp kim Nd16,5Fe77B6,5 được nghiền 3 h trong các dung

môi khác nhau sau thiêu kết

Hình 3.9 Ảnh SEM của bột hợp kim Nd16,5Fe77B6,5 sau các thời gian nghiền thô

khác nhau: 5 p (a), 10 p (b), 15 p (c) và 20 p (d)

Hình 3.10 Ảnh SEM của bột hợp kim Nd16,5Fe77B6,5 sau các thời gian nghiền tinh

khác nhau: 1 h (a), 2 h (b), 3 h (c), 5 h (d), 8 h (e) và 10 h (f)

Hình 3.11 Giản đồ XRD của bột hợp kim Nd16,5Fe77B6,5nghiền 1 h và 10 h

Hình 3.12 Giản đồ nhiệt quá trình thiêu kết của nam châm ép khô (a) và ướt (b).Hình 3.13 Hình ảnh của một số viên nam châm thiêu kết Nd16,5Fe77B6,5 chế tạo

Hình 3.18 Lực kháng từ Hccủa mẫu N8 ở các chế độ thiêu kết khác nhau

Hình 3.19 Ảnh hiển vi quang học của nam châm Nd16,5Fe77B6,5 sau khi thiêu kết ở

1060oC (a), 1080oC (b), 1100oC (c) trong 1 h và 1060oC trong 3 h (d).Hình 3.20 Đường từ trễ của các nam châm với cùng chế độ thiêu kết nhưng có thời

gian nghiền khác nhau (a) và sự phụ thuộc của kích thước trung bình D

(b), lực kháng từ Hc (c) và tích năng lượng cực đại (BH)max (d) theo thờigian nghiền tN.

Hình 3.21 Giá trị lực kháng từ của mẫu N8 sau thiêu kết và xử lý nhiệt một giai

đoạn ở 600oC trong 1 h (a), 600oC trong 2 h (b), 900oC trong 1 h (c) và

900oC trong 2 h (d)

Hình 3.22 Ảnh hiển vi quang học của mẫu N8 sau khi xử lý nhiệt ở 600oC trong 1 h

(a) và 900oC trong 1 h (b)

Hình 3.23 Giản đồ xử lý nhiệt hai giai đoạn HT1 (a) và HT2 (b)

Hình 3.24 Đường từ trễ theo chế độ xử lý nhiệt HT1 (a) và sự phụ thuộc của lực

kháng từ Hcvào nhiệt độ Ta2của mẫu N8 (b)

Hình 3.25 Đường từ trễ của mẫu N8 khi xử lý nhiệt hai giai đoạn với bước một

mẫu được nguội nhanh và nguội chậm đến gần nhiệt độ phòng

Hình 3.26 Đường từ trễ của mẫu N5 được xử lý nhiệt ở các chế độ khác nhau.Hình 3.27 Đường từ trễ của mẫu N8 ở các chế độ xử lý nhiệt khác nhau (a) và sự

phụ thuộc của lực kháng từ theo nhiệt độ Ta1(b)

Hình 3.28 Đường từ trễ của mẫu N8 ở các chế độ xử lý nhiệt khác nhau (a) và sự

phụ thuộc của lực kháng từ theo thời gian ta1(b)

Hình 3.29 Đường từ trễ của mẫu N8 ở các chế độ xử lý nhiệt khác nhau (a) và sự

phụ thuộc của lực kháng từ theo nhiệt độ Ta2(b)

Hình 3.30 So sánh Hcvà (BH)max của nam châm: sau thiêu kết, sau xử lý nhiệt giai

đoạn 1 (Ta1= 820oC, ta1= 0,5 h) và sau xử lý nhiệt giai đoạn 2 (Ta2= 540oC,

ta2= 1 h)

Hình 3.31 Ảnh hiển vi quang học của mẫu N8 sau thiêu kết (a), sau xử lý nhiệt giai

đoạn 1 (b) và sau xử lý nhiệt giai đoạn 2 (c) với chế độ tối ưu: Ta1 =

Hình 4.2 Ảnh SEM của bột các HCPT2 (a), HCPT3 (b), HCPT4 (c) và HCPT5 (d)

với thời gian nghiền 4 h

Hình 4.3 Giản đồ XRD của bột các HCPT1 (a), HCPT2 (b), HCPT3 (c), HCPT4

(d) và HCPT5 (e) với thời gian nghiền 4 h

Hình 4.4 Đường từ trễ của nam châm Nd16,5Fe77B6,5 khi chưa có và đã pha các

HCPT

Hình 4.5 Đường đặc trưng từ của nam châm Nd16,5Fe77B6,5 sau khi pha thêm

HCPT2 (a) và HCPT4 (b)

Hình 4.6 Đường từ trễ (a) và các đường đặc trưng từ (b, c, d và e) của nam châm

Nd16,5Fe77B6,5đã pha 2% HCPT4 được xử lý nhiệt ở các chế độ khác nhau.Hình 4.7 Ảnh SEM của nam châm Nd16,5Fe77B6,5 pha tạp 2% HCPT4 trước (a) và

sau khi xử lý nhiệt (b)

Hình 4.8 Ảnh SEM (a, c) và phổ EDX của nam châm Nd16,5Fe77B6,5 đã pha 2%

HCPT4 chưa xử lý nhiệt ở vị trí biên hạt (b) và giữa hạt lớn 2:14:1 (d).Hình 4.9 Ảnh SEM (a) và phổ EDX của nam châm Nd16,5Fe77B6,5 đã pha 2%HCPT4 sau khi xử lý nhiệt ở các vị trí khác nhau: vùng chứa hạt và lỗ rỗng (b), giữahạt lớn 2:14:1 (c) và biên hạt (d)

Hình 4.10 Ảnh BF-TEM của nam châm Nd16,5Fe77B6,5đã pha 2% HCPT4 trước khi

xử lý nhiệt trong vùng chứa cả hạt lớn và các hạt nhỏ (a), phổ SAED (b)

và phổ EDX (c) của một hạt lớn 2:14:1

Hình 4.11 Ảnh BF-TEM của nam châm Nd16,5Fe77B6,5đã pha 2% HCPT4 trước khi

xử lý nhiệt trong vùng chứa hạt nhỏ (a), phổ SAED của biên hạt (b) vàvùng chứa cả hạt và biên hạt (c), phổ EDX của biên hạt (d)

Hình 4.12 Ảnh BF-TEM của nam châm Nd16,5Fe77B6,5 đã pha 2% HCPT4 sau khi

xử lý nhiệt trong vùng chứa cả hạt lớn và các hạt nhỏ (a), phổ SAED (b),ảnh HRTEM ở biên hạt (c), phổ EDX ở giữa hạt lớn 2:14:1 (d) và biênhạt (e)

Hình 4.13 Ảnh HRTEM ở vị trí biên của một hạt trước (a) và sau xử lý nhiệt (b).Hình 4.14 Ảnh HRTEM tại điểm nối ba giữa các hạt trước (a) và sau xử lý nhiệt (b)

Hình 4.15 Ảnh HRTEM của nam châm Nd16,5Fe77B6,5 đã pha 2% HCPT4 sau khi

xử lý nhiệt trong vùng chứa hạt nhỏ (a), phổ SAED của vùng chứa cả hạt

và biên hạt (b) và biên hạt (c)

Hình 4.16 Phổ EDX tương ứng với các vị trí khác nhau trong ảnh HRTEM (a) của

nam châm Nd16,5Fe77B6,5 đã pha thêm 2% HCPT4 sau khi xử lý nhiệt: vịtrí 1-lớp gần biên (b), vị trí 2-biên hạt (c), vị trí 3-giữa hạt 2:14:1 (d)

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Thành phần và các thông số từ của một số nam châm Nd-Fe-B thương mại sản

xuất tại Trung Quốc [5, 128]

Bảng 2.1 Hợp phần và ký hiệu của các HCPT

Bảng 3.1 Kích thước hạt trung bình (D) và kí hiệu của bột hợp kim Nd16,5Fe77B6,5

theo các thời gian nghiền khác nhau

Bảng 3.2 Một số chế độ thiêu kết nam châm Nd-Fe-B đã sử dụng

Bảng 3.3 Giá trị lực kháng từ Hcvà tích năng lượng cực đại (BH)max của mẫu N2,

N3, N8 và N10 ở các chế độ thiêu kết khác nhau

Bảng 3.4 Giá trị lực kháng từ Hc và tích năng lượng cực đại (BH)max của các mẫu

nam châm có thời gian nghiền khác nhau

Bảng 3.5 Một số chế độ xử lý nhiệt nam châm Nd-Fe-B đã sử dụng

Bảng 4.1 Giá trị lực kháng từ Hc, cảm ứng từ dư Br và tích năng lượng từ cực đại

(BH)maxcủa của các mẫu nam châm với các HCPT khác nhau

Bảng 4.2 Nồng độ của các nguyên tố tại các vị trí khác nhau trong nam châm trước

và sau khi xử lý nhiệt

MỤC LỤC

Trang

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ NAM CHÂM THIÊU KẾT Nd-Fe-B 6

1.1 Lịch sử phát triển của vật liệu từ cứng nền Nd-Fe-B 6

1.2 Cấu trúc và tính chất từ của nam châm thiêu kết Nd-Fe-B 9

1.2.1 Cấu trúc của nam châm thiêu kết Nd-Fe-B 9

1.2.2 Tính chất từ của nam châm thiêu kết Nd-Fe-B 12

1.3 Cơ chế đảo từ và lực kháng từ trong nam châm Nd-Fe-B……… 13

1.3.1 Cơ chế đảo từ……… 13

1.3.2 Lực kháng từ trong nam châm Nd-Fe-B 17

1.3.3 Sự phụ thuộc nhiệt độ của lực kháng từ……… 20

1.4 Công nghệ chế tạo nam châm thiêu kết Nd-Fe-B 21

1.4.1 Chế tạo hợp kim ban đầu 23

1.4.2 Nghiền hợp kim 24

1.4.3 Ép tạo viên nam châm trong từ trường 27

1.4.4 Thiêu kết 28

1.4.5 Xử lý nhiệt 30

1.4.6 Gia công mẫu và nạp từ 31

1.5 Các yếu tố ảnh hưởng lên cấu trúc và tính chất từ của nam châm thiêu kết Nd-Fe-B……… 31

1.5.1 Ảnh hưởng của điều kiện công nghệ 31

1.5.2 Ảnh hưởng của các nguyên tố pha thêm 39

1.6 Tình hình chế tạo và sử dụng nam châm thiêu kết Nd-Fe-B trên thế giới và trong nước……… 43

Kết luận chương 1 47

Chương 2 KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM 48

2.1 Chế tạo mẫu 48

2.1.1 Quy trình và thiết bị chế tạo nam châm thiêu kết……… 48

2.1.2 Thực nghiệm chế tạo mẫu 50

2.1.3 Chế tạo các hợp chất pha thêm 52

2.2 Các phương pháp nghiên cứu cấu trúc 54

2.2.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X 54

2.2.2 Phương pháp hiển vi điện tử 55

2.2.3 Phương pháp hiển vi quang học……… 58

2.3 Phép đo tính chất từ trên hệ đo từ trường xung 58

Kết luận chương 2 61

Chương 3 ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỀU KIỆN CÔNG NGHỆ LÊN CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT TỪ CỦA NAM CHÂM THIÊU KẾT Nd-Fe-B 62

3.1 Ảnh hưởng của nồng độ đất hiếm lên tính chất từ của nam châm……… 62

3.2 Ảnh hưởng của quá trình luyện kim lên sự tạo pha Nd2Fe14B………… 65

3.3 Ảnh hưởng của quá trình nghiền lên sự tạo pha Nd2Fe14B và kích thước hạt……… 69

3.4 Ảnh hưởng của chế độ thiêu kết lên cấu trúc và tính chất từ của nam châm……… 75

3.5 Ảnh hưởng của thời gian nghiền đến tính chất từ……… 84

3.6 Ảnh hưởng của quá trình xử lý nhiệt lên cấu trúc và tính chất từ của nam châm……… 86

Kết luận chương 3 99

Chương 4 NÂNG CAO LỰC KHÁNG TỪ CỦA NAM CHÂM THIÊU KẾT Nd-Fe-B BẰNG CÁCH PHA TẠP VÀO BIÊN HẠT 101

4.1 Cấu trúc và kích thước hạt của bột các hợp chất pha thêm……… 102

4.2 Ảnh hưởng của các hợp chất pha thêm lên tính chất từ của nam châm 106

4.3 Mối quan hệ giữa vi cấu trúc và tính chất từ của nam châm pha tạp……… 111

Kết luận chương 4 123

KẾT LUẬN CHUNG 125

MỞ ĐẦU

Vật liệu công nghệ nói chung và vật liệu từ nói riêng có ý nghĩa quan trọngtrong cuộc sống loài người Chúng rất đa dạng, phong phú và không ngừng đượcnghiên cứu để hoàn thiện hơn Trong xu thế phát triển chung đó thì các vật liệu từcứng (VLTC), cùng với sản phẩm ứng dụng của nó là nam châm vĩnh cửu (NCVC)đang được sử dụng rộng rãi trong thực tế từ các thiết bị quen thuộc không thể thiếutrong cuộc sống hằng ngày như động cơ điện, máy phát điện cho đến các thiết bịtrong lĩnh vực kỹ thuật hiện đại như máy tính, máy chụp cộng hưởng từ

Bắt đầu từ thế kỷ XX, các NCVC đã được chế tạo và ứng dụng rất nhiều.Công nghệ chế tạo các nam châm này không ngừng được nghiên cứu để nâng caocác thông số từ cứng đáp ứng yêu cầu ứng dụng thực tế [34, 113] Tích năng lượngcực đại (BH)max, đặc trưng cho sự tích trữ năng lượng từ, là một thông số quan trọng

để đánh giá phẩm chất của nam châm Trong suốt giai đoạn đầu của thế kỷ này,(BH)max chỉ vào cỡ 1 MGOe cho thép kỹ thuật (Fe-C, Fe-W…) Sau đó, (BH)maxtăng lên  5 MGOe cho hợp kim Alnico (Fe-Al-Ni-Co) và ferit từ cứng(BaO.6Fe2O3 và SrO.6Fe2O3) [34] Nửa sau của thế kỷ, (BH)max tăng vọt tới  30MGOe cho nam châm đất hiếm Sm-Co [15, 37] và cuối cùng (BH)max đạt giá trị 

59 MGOe với nam châm đất hiếm Nd-Fe-B [76] Với tính chất từ rất tốt, nam châmNd-Fe-B đã góp phần quan trọng vào sự thu nhỏ kích thước của thiết bị và cải thiệncác đặc tính về công suất và hiệu suất

Ngày nay, sự phát triển của ngành công nghệ hiện đại đã dẫn đến nhu cầu vềcác loại NCVC chất lượng cao tăng lên đáng kể Đặc biệt là nhu cầu sử dụng namchâm thiêu kết Nd-Fe-B trong động cơ của xe điện, lai điện, máy phát điện nănglượng gió bởi các thiết bị này đòi hỏi phải có mômen khởi động cao, có dải tốc độhoạt động rộng và tiết kiệm được điện năng Việc sản xuất nam châm thiêu kết Nd-Fe-B liên tục tăng, từ 6 nghìn tấn năm 1996 lên 63 nghìn tấn trong năm 2008 [39], và

dự đoán về sản lượng nam châm thiêu kết Nd-Fe-B trên thế giới sẽ đạt đến 160 nghìntấn vào năm 2020 [103] Tuy nhiên, nhiệt độ của nam châm thiêu kết Nd-Fe-B trong

động cơ, máy phát điện khi hoạt động thường tăng cao ( 200°C) Khi nhiệt độ tănglực kháng từ của nam châm bị suy giảm nhanh do sự khử từ nhiệt dẫn đến công suất

và hiệu suất của thiết bị giảm Lực kháng từ ~ 8 kOe ở ~ 200°C hoặc ~ 25 kOe ởnhiệt độ phòng là yêu cầu cần thiết để đáp ứng các ứng dụng này Mặc dù trường dịhướng theo lý thuyết của pha Nd2Fe14B là ~ 75 kOe [113], nhưng do trong namchâm luôn tồn tại các khuyết tật với trường dị hướng từ tinh thể thấp dẫn đến sựgiảm lực kháng từ đến giá trị ~ 12 kOe, chỉ bằng 15% trường dị hướng của pha

Nd2Fe14B [69] Một cách đơn giản để tăng lực kháng từ là tăng dị hướng từ tinh thểcủa pha Nd2Fe14B bằng cách thay một phần Nd bởi Dy do sự hình thành của pha(Nd,Dy)2Fe14B có dị hướng từ tinh thể lớn ~ 278 kOe [113] Tuy nhiên, lượng Dytrong tự nhiên chỉ bằng cỡ 10% của Nd và giá thành cũng đắt hơn rất nhiều (gấpkhoảng 4 lần) Điều này có thể dẫn đến một cuộc khủng hoảng nguồn cung cấpnguyên liệu thô nếu nam châm không chứa hoặc chứa lượng nhỏ Dy không đượcphát triển Do đó, một số nhà khoa học đang tìm cách nâng cao chất lượng của namchâm thiêu kết Nd-Fe-B mà không sử dụng hoặc sử dụng lượng nhỏ các nguyên tốđất hiếm nặng Nhìn chung có hai hướng nghiên cứu chính để nâng cao lực kháng

từ cho nam châm Nd-Fe-B Một là bổ sung vào thành phần hợp kim một số nguyên

tố khác ngoài các thành phần chính là Nd, Fe và B nhằm thay đổi các tính chất củavật liệu như lực kháng từ, nhiệt độ Curie [16, 61, 65, 66, 70, 139, 140] Hai lànghiên cứu cải tiến, hoàn thiện công nghệ để tạo ra vi cấu trúc tối ưu như khống chếkích thước hạt, tạo được pha biên hạt thích hợp… [11, 68, 72, 91, 92, 94]

Ở Việt Nam, ngay sau khi phát minh vật liệu từ Nd-Fe-B được công bố, nó

đã được các phòng thí nghiệm quan tâm nghiên cứu về thành phần hoá học cũngnhư các đặc điểm công nghệ Điều này được thể hiện qua nhiều báo cáo tại các hộinghị và trên các tạp chí của nhiều nhóm tác giả như nhóm nghiên cứu ở Đại họcKhoa học Tự nhiên, Đại học Bách Khoa Hà Nội, Viện Khoa học vật liệu Tuynhiên, các kết quả nghiên cứu chủ yếu thu được trên nam châm kết dính Còn vớinam châm thiêu kết Nd-Fe-B, các nghiên cứu trước đây chủ yếu tập trung vào cấutrúc và tính chất của vật liệu mà chưa có nhiều nghiên cứu về công nghệ [4, 7, 42,

117] Đồng thời, kết quả thu được mới chỉ ở trong khuôn khổ phòng thí nghiệm vàthông số từ của nam châm chưa đáp ứng được yêu cầu ứng dụng trong các thiết bị

có nhiệt độ hoạt động lớn như mô tơ và máy phát điện, tích năng lượng (BH)max đãđạt trên 30 MGOe nhưng giá trị lực kháng từ còn thấp Hc ≤ 8 kOe [1, 2, 6] Hiệnnay, nam châm Nd-Fe-B chất lượng cao vẫn phải nhập ngoại Chính vì vậy, việc tìm

ra các biện pháp công nghệ mới nhằm nâng cao thông số từ của nam châm thiêu kếtNd-Fe-B nhằm đáp ứng hơn nữa nhu cầu ứng dụng trong thực tế, đồng thời chủđộng được công nghệ chế tạo trong nước, làm giảm nhu cầu sử dụng đất hiếm nặng(đang ngày càng khan hiếm) có ý nghĩa quan trọng

Từ những lý do trên, chúng tôi đã chọn đề tài nghiên cứu của luận án là:

Nghiên c ứu công nghệ chế tạo nam châm thiêu kết Nd-Fe-B có lực kháng từ cao.

Đối tượng nghiên cứu của luận án:

Nam châm thiêu kết Nd-Fe-B

Mục tiêu nghiên cứu của luận án:

Xây dựng được quy trình công nghệ chế tạo nam châm thiêu kết Nd-Fe-B cólực kháng từ cao, tích năng lượng đủ lớn đáp ứng được yêu cầu ứng dụng trong thực tế

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án:

Các kết quả của luận án có ý nghĩa khoa học trong việc nghiên cứu các cơchế vật lý trong vật liệu cho lực kháng từ cao Đồng thời, việc hoàn thiện công nghệnhằm chế tạo nam châm thiêu kết Nd-Fe-B có thể đưa vào sản xuất thực tế, hạn chếviệc nhập khẩu loại nam châm này

Phương pháp nghiên cứu:

Luận án được tiến hành bằng phương pháp thực nghiệm Mẫu nghiên cứuđược chế tạo trên các thiết bị như: lò luyện kim trung tần, lò hồ quang, máy nghiềnthô, máy nghiền tinh, máy nghiền cơ năng lượng cao, máy ép trong từ trường, máy

ép đẳng tĩnh, lò thiêu kết chân không Nghiên cứu cấu trúc của mẫu bằng các kỹthuật nhiễu xạ tia X và hiển vi Tính chất từ của vật liệu được khảo sát bằng cácphép đo từ trễ trên hệ đo từ trường xung

Nội dung nghiên cứu của luận án bao gồm:

Nghiên cứu ảnh hưởng của điều kiện công nghệ (thời gian nghiền, chế độthiêu kết, quá trình xử lý nhiệt…) lên cấu trúc và tính chất từ của nam châm thiêukết Nd-Fe-B

Nghiên cứu ảnh hưởng của các hợp chất pha thêm (Dy-Nd-Al, Nb-Cu-Al,Dy-Zr-Al ) lên cấu trúc và tính chất từ của nam châm thiêu kết Nd-Fe-B

Nghiên cứu mối liên hệ giữa vi cấu trúc và tính chất từ của nam châm chưapha và đã pha tạp để đưa ra công nghệ chế tạo tối ưu

Xây dựng quy trình chế tạo nam châm thiêu kết có lực kháng từ Hc cao qui

mô bán công nghiệp

Bố cục của luận án:

Nội dung chính của luận án được trình bày trong 4 chương Chương đầu làphần tổng quan về nam châm thiêu kết Nd-Fe-B Chương tiếp theo trình bày các kỹthuật thực nghiệm về phương pháp chế tạo mẫu và các phép đo đặc trưng cấu trúc

và tính chất từ của vật liệu Hai chương cuối trình bày các kết quả nghiên cứu đã thuđược, bàn luận về ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ và hợp chất pha thêm lêncấu trúc và tính chất từ của nam châm thiêu kết Nd-Fe-B

Các kết quả nghiên cứu của luận án được công bố trong 08 công trình khoahọc, bao gồm 01 bài báo đăng trên tạp chí quốc tế (ISI), 03 bài báo đăng trên tạp chítrong nước, 04 bài báo cáo tại Hội nghị trong nước và quốc tế

Kết quả chính của luận án:

Đã khảo sát ảnh hưởng của điều kiện công nghệ và các hợp chất pha thêmlên cấu trúc và tính chất từ của nam châm thiêu kết Nd-Fe-B

Đã xây dựng được quy trình công nghệ tương đối hoàn thiện để chế tạo namchâm thiêu kết Nd-Fe-B

Đã chế tạo được nam châm thiêu kết Nd-Fe-B có lực kháng từ cao, Hc> 21kOe, tích năng lượng cực đại đủ lớn, (BH)max> 35 MGOe, có thể đưa vào ứng dụngthực tế

Luận án này được hỗ trợ kinh phí của Phòng thí nghiệm Trọng điểm về Vậtliệu và Linh kiện Điện tử, đề tài Khoa học Công nghệ cấp Viện Hàn lâm Khoa học

và Công nghệ Việt Nam, mã số VAST03.05/16-17 và Nhiệm vụ hợp tác quốc tếsong phương về khoa học và công nghệ cấp Bộ Giáo dục và Đào tạo, mã số07/2012/HĐ-HTQTSP Luận án được thực hiện tại Phòng thí nghiệm Trọng điểm

về Vật liệu và Linh kiện Điện tử và Phòng Vật lý Vật liệu Từ và Siêu dẫn, ViệnKhoa học vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam

Chương 1

TỔNG QUAN VỀ NAM CHÂM THIÊU KẾT Nd-Fe-B

1.1 Lịch sử phát triển của vật liệu từ cứng nền Nd-Fe-B

Trong quá trình hình thành và phát triển, VLTC đã trải qua nhiều giai đoạnvới các chủng loại nam châm phong phú, đa dạng Tích năng lượng cực đại (BH)max

là một trong các thông số từ quan trọng để đánh giá chất lượng nam châm và mang

ý nghĩa về khả năng ứng dụng Sự phát triển của VLTC gắn liền với việc tìm ra vậtliệu mới có (BH)maxlớn đáp ứng yêu cầu ứng dụng trong thực tế Hình 1.1 cho thấytrong thế kỷ XX cứ sau 20 năm (BH)maxtăng lên gấp ba lần

Hình 1.1 Sự phát triển của nam châm vĩnh cửu theo (BH) max ở nhiệt độ phòng

trong thế kỷ XX [129].

Bước đột phá trong nghiên cứu VLTC đáng quan tâm nhất là việc chế tạođược hợp kim từ cứng chứa đất hiếm (Sm-Co, Nd-Fe-B) có tích năng lượng tăngvượt trội so với các VLTC trước đó như ferit có (BH)max  5 MGOe hay Alnico có(BH)max  5 - 10 MGOe Sự kết hợp của nguyên tố đất hiếm (RE) có tính dị hướng

từ tinh thể mạnh cho lực kháng từ lớn và kim loại chuyển tiếp (TM) cho từ độ bãohoà và nhiệt độ chuyển pha Curie (TC) cao, nên đây là loại VLTC hứa hẹn sẽ cho

tính chất từ tốt Vật liệu SmCo5với tích năng lượng (BH)maxlên đến 20 MGOe đượctìm ra và trở thành nam châm đất hiếm đầu tiên có giá trị thương mại vào năm 1967[15] Các nam châm này có lực kháng từ lớn và nhiệt độ Curie cao để chống lại sựảnh hưởng của nhiệt độ, đồng thời chúng cũng có khả năng chống ăn mòn tốt.Hướng nghiên cứu trên vật liệu Sm-Co tiếp tục được phát triển mạnh và (BH)maxđãđạt đến 30 MGOe đối với hợp phần Sm2Co17vào năm 1976 Tuy nhiên, lực kháng

từ của các nam châm Sm2Co17 lại suy giảm, Hc  8 - 12 kOe Việc tạo được vi cấutrúc dạng hạt tối ưu bởi sự thay thế một phần Co bởi Fe, Cu và Zr cùng quá trình xử

lý nhiệt thích hợp đã làm tăng cường đáng kể lực kháng từ của nam châm Sm2Co17thương mại [78] Do đó, nam châm loại này rất phù hợp với những ứng dụng cónhiệt độ hoạt động cao [37] Tuy nhiên, nhược điểm của nam châm Sm-Co là quátrình xử lý nhiệt phức tạp cùng với giá thành cao của Sm và Co Chính vì vậy, việcnghiên cứu các vật liệu mới chứa ít hoặc không chứa Co đã đuợc đẩy mạnh Hệ hợpkim nền Nd-Fe đuợc chú ý do Fe và Nd có trữ luợng lớn ở vỏ trái đất và mômen từnguyên tử cao

Kết quả đầu tiên về nam châm đất hiếm Nd-Fe-B được công bố bởi hai nhómnghiên cứu một cách độc lập vào năm 1984 Croat J J và cộng sự ở công tyGeneral Motors (Mỹ) đã chế tạo được nam châm vĩnh cửu dựa trên pha ba thànhphần Nd2Fe14B theo công nghệ nguội nhanh có (BH)max = 14 MGOe [20] Trongkhi, nhóm Sawaga M ở công ty Sumitomo (Nhật Bản) bằng công nghệ thiêu kết đãchế tạo thành công nam châm vĩnh cửu có thành phần Nd15Fe77B8 với (BH)max = 36MGOe [105] Pha từ là giống nhau nhưng vi cấu trúc của nam châm Nd-Fe-B đượcchế tạo bằng hai công nghệ trên là khác nhau Phương pháp nguội nhanh tạo ra cấutrúc nano tinh thể, trong khi đó quá trình thiêu kết hình thành cấu trúc vi tinh thểkích thước micromet Thành phần chính của nam châm Nd-Fe-B là Fe, có giá thành

rẻ và mômen từ lớn Một lượng nhỏ hơn của nguyên tố đất hiếm Nd đã tạo ra dịhướng từ tinh thể lớn cho vật liệu Chiếm 2% thể tích của ô cơ sở, B giúp ổn địnhcấu trúc tinh thể tứ giác của vật liệu Một mốc đáng chú ý nữa là vào năm 1988,Coehoorn R và các cộng sự đã phát minh vật liệu nanocomposite có (BH)max= 12

MGOe Nam châm này chứa nhiều pha từ, bao gồm hai pha từ mềm Fe3B (73% thểtích), -Fe (12% thể tích) và pha từ cứng Nd2Fe14B (15% thể tích) [18] Lượng Ndtrong nam châm loại này chỉ bằng khoảng 1/3 trong nam châm Nd2Fe14B thôngthường, điều này làm giảm đáng kể giá thành và tăng độ bền về mặt hoá học củanam châm [14] Theo lý thuyết, tương tác trao đổi đàn hồi giữa pha cứng và phamềm ở kích thước nanomet có thể tạo ra nam châm với (BH)max trên 100 MGOe[56] Tuy nhiên, trong thực tế (BH)max của vật liệu này mới chỉ đạt cỡ 20 MGOe vàlực kháng từ nhỏ (Hc< 10 kOe).

Hình 1.2 Sản lượng hàng năm (a) và dự đoán tăng trưởng (b) của nam châm

thiêu kết Nd-Fe-B [39, 103].

Hình 1.3 Tỉ phần so với các loại nam châm khác (a) và một số ứng dụng (b) của

nam châm vĩnh cửu Nd-Fe-B [39, 112].

Với những phẩm chất từ tốt, hợp kim ba thành phần Nd-Fe-B được đặc biệtchú ý đối với các phòng thí nghiệm trên thế giới Rất nhiều công trình nghiên cứu

về vi cấu trúc, thành phần hợp chất, công nghệ chế tạo đã được công bố Ngoàinghiên cứu cơ bản, việc thương mại hóa và mở rộng phạm vi ứng dụng cũng đã cónhững bước tiến vượt bậc Điều này được minh chứng qua sự tăng sản lượng hàngnăm và dự đoán sản lượng trong những năm tiếp theo (hình 1.2) cũng như tỉ phầncủa nam châm này trong công nghiệp so với các loại nam châm khác (hình 1.3a)[39, 103] Trong rất nhiều lĩnh vực ứng dụng khác nhau như được thể hiện trên hình1.3b [112], thì việc sử dụng nam châm thiêu kết Nd-Fe-B trong mô tơ và máy phátđiện chiếm ưu thế vượt trội (> 34%) Yêu cầu ứng dụng của nam châm trong cácthiết bị này đòi hỏi phải có lực kháng từ lớn Hiện tại, các ứng dụng của nam châmthiêu kết Nd-Fe-B khó có thể được thay thế bằng các vật liệu khác bởi chúng có tính

dị hướng cao, tích năng lượng cực đại lớn, cơ tính tốt để làm việc trong môi trường

có nhiệt độ và từ trường hoạt động cao

1.2 Cấu trúc và tính chất từ của nam châm thiêu kết Nd-Fe-B

1.2.1 Cấu trúc của nam châm thiêu kết Nd-Fe-B

Nam châm thiêu kết Nd-Fe-B là vật liệu có cấu trúc đa pha, trong đó phaquyết định tính chất từ và có tỉ phần lớn nhất là pha nền Nd2Fe14B () (gọi tắt là pha2:14:1) với kích thước vài micromet

Hình 1.4 Vi cấu trúc của nam châm thiêu kết Nd-Fe-B [38].

Ngoài ra còn có pha giàu Nd phân bố ở biên hạt với nhiệt độ nóng chảy thấp

và một lượng nhỏ pha giàu B Nd1+Fe4B4 () Các pha khác như pha giàu Fe, ôxit

Nd và lỗ rỗng (pore) đã được tìm thấy, phụ thuộc vào thành phần và các tham sốtrong quá trình chế tạo [105]

Hình 1.4 cho thấy ảnh vi cấu trúc

thực và ảnh mô phỏng lại của nam

châm thiêu kết Nd-Fe-B Các hạt có

kích thước lớn là của pha từ cứng

Nd2Fe14B Giữa các hạt 2:14:1 là lớp

biên hạt giàu Nd rất mỏng, xen lẫn các

hạt ôxit Nd Tính chất của nam châm

thiêu kết không chỉ phụ thuộc vào tính

chất từ nội tại của pha từ cứng

Nd2Fe14B mà còn phụ thuộc vào vi cấu

trúc của vật liệu Theo nghiên cứu của

Yu L Q và các cộng sự, việc tạo được

nam châm thiêu kết Nd-Fe-B có vi cấu trúc tối ưu với các hạt 2:14:1 đồng đều, độđịnh hướng cao và được ngăn cách bởi lớp biên hạt giàu Nd mỏng, nhẵn (hình 1.5)

sẽ cho thông số từ mong muốn [135]

a) Pha từ cứng Nd 2 Fe 14 B

Các nguyên tử Fe và đất hiếm tạo thành hợp chất nhị nguyên với từ độ bãohòa cao do sự ghép đôi của các mômen từ [104] Có rất nhiều nỗ lực vào đầu nhữngnăm 80 của các nhà khoa học để tìm kiếm một pha bền với dị hướng đơn trục vàcuối cùng pha ba nguyên Nd2Fe14B được tìm thấy Việc tạo được pha Nd2Fe14B đòihỏi quá trình cô đặc nhanh chóng Nếu quá trình cô đặc quá lâu, sắt có xu hướngtách riêng thành pha α-Fe

Hợp thức chính xác và cấu trúc tinh thể của Nd2Fe14B được tìm ra một cáchđộc lập và đồng thời bởi ba nhóm nghiên cứu vào năm 1984 (Givord, Herbst vàShoemaker cùng các cộng sự) [41] Nd2Fe14B có cấu trúc tinh thể tứ giác với hằng

Hình 1.5 Vi cấu trúc điển hình của nam châm thiêu kết Nd-Fe-B với trục c định

hướng song song [135].

số mạng a = 0,88 nm và c = 1,22 nm, thuộc nhóm không gian P42/mnm, khối lượngriêng 7,55 g/cm3.

Hình 1.6 Cấu trúc tinh thể pha Nd 2 Fe 14 B (a), nguyên tử B và 6 nguyên tử Fe (vị trí

e và k 1 ) tạo thành hình lăng trụ đứng đáy tam giác (b) [41].

Hình 1.6 cho thấy ô cơ sở của Nd2Fe14B chứa 4 đơn vị công thức (68 nguyêntử) Các nguyên tử Nd chiếm 2 vị trí (ký hiệu là Nd f, Nd g) không tương đương,các nguyên tử Fe chiếm 6 vị trí (ký hiệu là Fe c, Fe e, Fe j1, Fe j2, Fe k1, Fe k2), cácnguyên tử B chiếm vị trí B g Trên mặt phẳng cơ sở z = 0 và z = 1/2 chứa tất cả cácnguyên tử Nd và B cùng 4 nguyên tử Fe ở (vị trí Fe c) Mỗi nguyên tử B kết hợp với

6 nguyên tử Fe (ở vị trí Fe e và Fe k1) gần nó nhất tạo hình lăng trụ đáy tam giác.Các lăng trụ này nối với lớp Fe ở bên trên và bên dưới các mặt phẳng cơ sở Cấutrúc tinh thể với độ bất đối xứng rất cao tạo ra tính từ cứng mạnh (lực kháng từ cao)của vật liệu này

b) Pha biên hạt giàu Nd

Thông thường, phần lớn các nam châm đều chứa pha phi từ, chúng đóng vaitrò quan trọng trong việc tạo ra nam châm có phẩm chất từ tốt [135] Đối với nam

Z = 1/2

Z = 0

châm thiêu kết Nd-Fe-B, pha phi từ giàu

Nd được phân bố chủ yếu dọc theo biên

của các hạt Nd2Fe14B Pha này không chỉ có

vai trò quan trọng cho sự kết dính trong

suốt quá trình thiêu kết mà còn là yếu tố

ảnh hưởng đáng kể đến sự cải thiện lực

kháng từ của nam châm Nd-Fe-B khi được

xử lý nhiệt Bởi vì, sự hình thành của pha

giàu Nd ở biên hạt (vùng màu trắng như

trong hình 1.7) giúp cô lập các hạt từ cứng và ngăn cản tương tác từ giữa chúng.Nếu các hạt được cô lập tốt, quá trình đảo từ khó lan truyền từ hạt này tới hạt khác.Thay vào đó, sự đảo chiều từ độ cần mầm của đômen đảo trong mỗi hạt và quá trìnhđảo từ cần từ trường lớn hơn (lực kháng từ cao) Theo một số nghiên cứu, pha giàu

Nd thể hiện cấu trúc tinh thể phức tạp và thường chứa cả pha ôxit do Nd là nguyên

tố rất dễ bị ôxy hóa [51, 62, 119, 125]

1.2.2 Tính chất từ của nam châm thiêu kết Nd-Fe-B

Tính chất từ của nam châm được phân làm hai loại: tính chất từ nội tại vàtính chất từ ngoại lai Tính chất từ nội tại như từ độ tự phát, nhiệt độ Curie và dịhướng từ được quyết định bởi mômen từ của các nguyên tử và tương tác giữachúng trong mạng tinh thể Trong khi đó, tính chất từ ngoại lai là các tính chất liênquan đến đặc trưng từ trễ như lực kháng từ, từ dư, độ vuông đường trễ và tích nănglượng cực đại được quyết định bởi vi cấu trúc tức là hình dạng, kích thước, độđồng nhất, sự phân bố và liên kết (biên hạt) của các hạt trong vật liệu

Trong nam châm thiêu kết, tính từ cứng được quyết định bởi pha tinh thể

Nd2Fe14B Pha Nd2Fe14B có dị hướng từ tinh thể HA = 75 kOe, sự định hướng songsong của hai phân mạng Nd và Fe trong pha Nd2Fe14B đã tạo ra từ độ bão hòa lớn ởnhiệt độ phòng, đạt tới 16 kG Đây là giá trị từ độ lớn nhất trong các liên kim loạiđất hiếm sử dụng làm nam châm vĩnh cửu [127] Đồng thời, nam châm này có khảnăng cho từ dư lên tới 14 kG Tuy nhiên, do tương tác trao đổi sắt từ Fe-Fe tương

Hình 1.7 Ảnh lớp mỏng pha giàu Nd

giữa các hạt [36].

đối yếu nên nhiệt độ Curie của hợp chất Nd2Fe14B là khá thấp, TC ~ 585 K Nhượcđiểm khác nữa của nam châm này là tính ôxy hóa cao (do hoạt tính của Nd), giáthành đắt (do chứa nhiều đất hiếm) và sự suy giảm nhanh của lực kháng từ theonhiệt độ.

1.3 Cơ chế đảo từ và lực kháng từ trong nam châm Nd-Fe-B

Trong nam châm đất hiếm nền Nd-Fe-B, tích năng lượng (BH)max phụ thuộcvào cảm ứng từ dư Br, lực kháng từ và độ vuông đường trễ Cảm ứng từ dư phụthuộc vào mômen từ bão hoà của vật liệu làm nam châm và mức độ định hướng củachúng, tức là phụ thuộc cả vào hợp phần và công nghệ chế tạo Trong khi đó, lựckháng từ phụ thuộc chính vào dị hướng từ tinh thể của vật liệu Tuy nhiên, cần lưu ýrằng lực kháng từ không phải là một đại lượng đặc trưng cho tính chất từ nội tại.Điều đó có nghĩa là lực kháng từ không chỉ phụ thuộc vào thành phần hóa học, dịhướng từ tinh thể mà còn phụ thuộc vào vi cấu trúc của vật liệu Mối quan hệ giữa

vi cấu trúc và những tính chất từ nội tại để gây ra lực kháng từ trong vật liệu là kháphức tạp Chính vì vậy, việc nắm vững cơ chế của lực kháng từ và các yếu tố ảnhhưởng lên nó cho phép ta giải thích được nhiều tính chất liên quan đến nam châm,

từ đó định hướng các biện pháp công nghệ để thu được giá trị lực kháng từ nhưmong muốn Thực chất, cơ chế lực kháng từ chính là cơ chế đảo từ của các đômen

từ tồn tại trong vật liệu Phương pháp liên quan đến làm tăng hay giảm lực kháng từcủa vật liệu là điều khiển đômen từ Đối với một vật liệu từ cứng, điều mong muốn

là các đômen từ không dễ quay, vách đômen không dễ dịch chuyển và việc tạo mầmđômen đảo là khó khăn

1.3.1 C ơ chế đảo từ

Ở trạng thái khử từ nhiệt, nam châm tồn tại các đômen từ, các đômen nàyđược ngăn cách bởi vách đômen Việc hình thành các đômen từ được giải thích trên

cơ sở nguyên lý cực tiểu năng lượng của một hệ ở trạng thái bền Dưới tác dụng của

từ trường ngoài, vách đômen sẽ dịch chuyển theo xu hướng đômen thuận lợi được

mở rộng và đômen không thuận lợi bị thu hẹp, để có lợi về mặt năng lượng Dựa

vào khả năng dịch chuyển vách đômen người ta đưa ra hai cơ chế chính tạo lựckháng từ: cơ chế mầm đảo từ (nam châm mầm đảo từ-Nucleation) và cơ chế hãmdịch chuyển vách đômen hay cơ chế ghim vách đômen (nam châm loại ghim váchđômen-Pinning) [26] Hai đại lượng cần để mô tả các cơ chế đảo từ này đó làtrường tạo mầm HN, được định nghĩa là giá trị của từ trường (ngược với hướng từhóa ban đầu) mà tại đó các mầm đảo từ bắt đầu xuất hiện (hình 1.8) và HP là từtrường đủ để làm dịch chuyển vách đômen Lưu ý rằng khi một mầm đảo từ đượchình thành cùng với một vách đômen tương ứng, vách đômen này không thể dịchchuyển khi giá trị từ trường ngoài đảo chiều chưa vượt quá HP.

Hình 1.8 Minh họa quá trình từ hóa,

khử từ và vị trí trường tạo mầm H N [127].

Hình 1.9 Đường từ hoá ban đầu và đường từ trễ của nam châm loại mầm đảo từ

và nam châm loại ghim vách đômen [113].

Hai cơ chế lực kháng từ trên được hình thành liên quan đến quá trình đảo từ

độ của nam châm từ cứng Cơ chế đầu được điều khiển bằng mầm đảo từ Cơ chếlực kháng từ còn lại được điều khiển bằng quá trình dịch chuyển vách đômen Tuynhiên, hai quá trình này không xảy ra độc lập mà thường xảy ra đồng thời trong vậtliệu [40, 75] Cơ chế nào trội hơn phụ thuộc vào bản chất và các thông số vi cấu trúccủa vật liệu đó Không có phép đo đơn lẻ nào có thể đưa ra kết luận chính xác về cơchế lực kháng từ trong nam châm mà phải cần đến bốn phép đo bao gồm: đường từhóa ban đầu, đường từ trễ chưa bão hòa, lực kháng từ phụ thuộc nhiệt độ và lực

kháng từ phụ thuộc góc.

Trước tiên, cơ chế lực kháng từ có thể phân biệt thông qua quan sát đườngcong từ hóa ban đầu ở trạng thái khử từ nhiệt (hình 1.9) Độ cảm từ ban đầu cao chothấy vách đômen di chuyển dễ dàng và ngược lại độ cảm từ ban đầu thấp có thể dovách đômen bị ghim Với các mẫu đã được khử từ hoàn toàn (khử từ bằng nhiệt độ),

cơ chế lực kháng từ được xác định thông qua sự phụ thuộc của kích thước hạt D vớikích thước tới hạn đơn đômen Dsd Trong trường hợp D > Dsd, hạt có cấu trúc đađômen Nếu trong hạt không chứa các tạp hay tâm ghim thì độ cảm từ ban đầu củamẫu là lớn (đường 1 hình 1.9) bởi vì vách đômen di chuyển tự do Khi đó, từ trườngcần thiết để làm vách đômen dịch chuyển là NMs(Mslà từ độ bão hòa và N là hệ sốkhử từ của các hạt) và quá trình đảo từ độ được điều khiển bằng mầm đảo từ Nếucác hạt không đồng nhất, vách đômen được ghim ở những vị trí này trong hạt Để dichuyển vách đômen, từ trường ngoài phải lớn hơn trường HP, và độ cảm từ ban đầucủa mẫu là thấp (đường 2 hình 1.9) Trong trường hợp đó, cơ chế trội hơn là cơ chếmầm nếuHN > HP và là cơ chế ghim nếu HN < HP Với những hạt đơn đômen, D

 Dsdđộ cảm từ sẽ luôn luôn là thấp và không phụ thuộc vào sự bất đồng nhất trongcác hạt Quá trình đảo từ của các hạt đơn đômen sẽ diễn ra chỉ bằng sự quay từ độ

và đòi hỏi một từ trường ngoài lớn

Phép đo khác để nhận biết cơ chế lực kháng từ đó là phép đo các đường từtrễ chưa bão hòa (vật liệu chưa được từ hóa bão hòa) Becker J J đã chỉ ra rằng giátrị lực kháng từ sẽ phụ thuộc vào cường độ từ trường từ hóa ban đầu [12] Trong vậtliệu cơ chế mầm đảo từ, giá trị cường độ từ trường từ hóa tối thiểu cần thiết để cóđược lực kháng từ tối đa là nhỏ hơn nhiều so với lực kháng từ Ngược lại, với vậtliệu kiểu cơ chế ghim, trường từ hóa tối thiểu tương đương với lực kháng từ Tuynhiên, trong trường hợp vật liệu chứa các hạt đơn đômen, cơ chế mầm sẽ dẫn đếnkết quả tương tự như cơ chế ghim của vật liệu đa đômen Vì vậy, việc xác định cơchế lực kháng từ dựa trên các đường từ trễ chưa bão hòa đòi hỏi phải biết được cỡhạt đơn đômen và cỡ hạt trung bình Lực kháng từ phụ thuộc vào góc trong vật liệuđẳng hướng ít có ý nghĩa thực nghiệm Do đó, phép đo lực kháng từ phụ thuộc nhiệt

độ là cần thiết hơn Phép đo này cùng với các phép đo đường từ hóa ban đầu vàđường từ trễ không bão hòa làm sáng tỏ cơ chế lực kháng từ trong nam châm Sựkhác nhau giữa hai cơ chế lực kháng từ trong phép đo lực kháng từ theo nhiệt độ thểhiện qua sự làm khớp với các mô hình tính toán lý thuyết [33, 58].

Hướng từ độ ban đầuHướng từ độ đảo

Vách BlockHướng dịch vách Block

Tâm hãm vách

Hình 1.10 Vi cấu trúc của mầm đảo từ và ghim vách đômen Các mầm đảo từ

có thể ở trong hạt (A) hoặc biên hạt (B) và tâm hãm vách ở vị trí C [113].

Như đã trình bày ở trên, lực kháng từ không chỉ được quy định bởi tính chất

từ nội tại của nam châm mà còn bị ảnh hưởng mạnh bởi vi cấu trúc của nó Hình1.10 mô tả vi cấu trúc của mầm đảo từ và ghim vách đômen Khi các khuyết tật nhỏ,phân tán trong hạt (vị trí A) hoặc biên hạt (vị trí B) thì trường trao đổi, trường khử

từ và trường dị hướng tạo ra các mầm đảo từ cục bộ trong vật liệu làm suy giảm lựckháng từ Vì vậy, để tăng lực kháng từ trong nam châm loại mầm đảo từ cần phảigiảm thiểu lượng tâm sai hỏng phân tán trong các hạt và làm nhẵn bề mặt hạt bằngcách thiêu kết có pha lỏng và xử lý nhiệt Tuy nhiên, khi kích thước các sai hỏnglớn và nhiều thì chúng lại có tác dụng ghim vách đômen như vị trí C

Quá trình đảo từ phụ thuộc vào vi cấu trúc của vật liệu được thể hiện trênhình 1.11 Đối với nam châm đẳng hướng các hạt không tương tác, đường cong đảo

từ (khử từ) đi theo đường chấm gạch Do tính chất đẳng hướng nên các hướng củatrục dễ là ngẫu nhiên, dẫn đến khi từ trường ngoài giảm về 0, mômen từ tổng cộng

Mr2bằng M/2 Tiếp tục giảm từ trường ngoài về giá trị âm, các mômen từ theo hướng

từ trường ngoài làm cho từ độ giảm dần

và độ vuông đường từ trễ thấp Đối với

nam châm dị hướng, sau khi được từ hoá

bão hoà, toàn bộ các mômen từ nằm theo

hướng trục dễ và song song với nhau Vì

vậy, khi giảm từ trường ngoài về 0, từ độ

trong mẫu vẫn được giữ nguyên gần như

trạng thái bão hoà, do đó ở trạng thái từ

dư Mr1  Ms Tiếp tục giảm từ trường

ngoài về giá trị âm, mômen từ của mẫu

không đổi cho đến khi từ trường ngoài có

giá trị đủ lớn bằng HN Đối với nam châm

có cơ chế lực kháng từ kiểu mầm, sẽ xảy ra quá trình phát triển mầm đảo từ như các

vị trí A và B trên hình 1.10 và quá trình đảo từ xảy ra không cần có sự tăng thêmcủa từ trường ngoài bởi vì khi đó chính là thời điểm cực tiểu năng lượng biến mất.Đường cong khử từ sẽ đi theo đường ABC và lực kháng từ trong trường hợp nàybằng HN Tuy nhiên, với nam châm có cơ chế lực kháng từ kiểu ghim vách đômen,quá trình đảo từ không xảy ra một cách dễ dàng như vậy do sự có mặt của các tâmhãm vách liên kết như vị trí C trong hình 1.10 Do đó, các mômen từ không đảo độtngột và đường cong khử từ trong trường hợp này sẽ lớn hơn so với nam châm mầmđảo từ (đường liền nét ABC’)

1.3.2 L ực kháng từ trong nam châm Nd-Fe-B

a) Nam châm loại mầm đảo từ

Trong nam châm loại mầm đảo từ, các vách đômen trong hạt di chuyểntương đối dễ dàng Khi bị từ hóa, ngay ở giá trị từ trường ngoài còn nhỏ, do váchđômen di chuyển dễ dàng làm cho đômen thuận lợi được mở rộng, từ độ của mẫutăng rất nhanh, độ từ thẩm trong giai đoạn này rất lớn Quá trình từ hóa trong giaiđoạn này có tính thuận nghịch cao Tiếp tục tăng từ trường ngoài, mẫu nhanh chóngđạt đến trạng thái bão hoà Quá trình khử từ chỉ diễn ra mạnh khi từ trường ngoài

Hình 1.11 Các đường cong mô tả quá trình đảo từ của vật liệu có cấu trúc

khác nhau [3].

tác dụng theo chiều ngược lại đạt đến giá trị HN, tức là mầm đảo từ bắt đầu hìnhthành và phát triển Để có lực kháng từ cao đòi hỏi sự dịch chuyển vách đômen phảiđược ngăn cản tại biên hạt, đây là yêu cầu tiên quyết đối với nam châm loại tạomầm.

Hc = HN > HP Hc = HP > HN Hc = HP

Hình 1.12 Minh hoạ đường từ trễ cho các loại nam châm khác nhau: tạo mầm đảo

từ ở vách (a), mầm đảo từ không đồng nhất và ghim vách đômen ở biên hạt (b),

mầm đảo từ không đồng nhất và phân bố trong các hạt (c) [127].

Mặt khác, để thu được lực kháng từ tốt nhất cần phải tác dụng vào nam châmmột trường bão hòa dương cực đại Hsmax, là từ trường đủ mạnh để làm tất cả cácvách đômen trong mẫu bị triệt tiêu Nếu từ trường từ hóa nhỏ hơn Hsmax thì có thểvẫn còn tồn tại các đômen có từ độ ngược hướng với véctơ từ độ bão hòa Sau khi

từ trường ngoài có độ lớn đạt Hsmax việc hình thành các mầm đảo từ đòi hỏi một từtrường H âm ít nhất là bằng HN Nếu HN > Hp, sự khử từ hoàn toàn chỉ xảy ra khi

H  HN, nghĩa là trong trường hợp này lực kháng từ bằng HN (hình 1.12a) Tuynhiên, có thể có một cơ chế khác, giả sử rằng mầm đảo từ đã được hình thành ở cácbiên hạt (tại nơi có sự bất đồng nhất từ lớn) nhưng Hp > HN thì mầm đảo từkhông thể phát triển Trong vùng từ trường ngoài Hp > H > HN trạng thái ghimvách đômen duy trì cho đến khi H > Hp (hình 1.12b) Trường hợp này có thể mô

tả như cơ chế ghim vách đômen không đồng nhất Đồng thời, từ độ khác nhaukhông nhiều, lý do là thể tích của mầm (có từ độ ngược hướng với từ độ củađômen) là rất nhỏ, hầu như có thể bỏ qua so với thể tích của toàn hạt

Mô hình mầm đã được áp dụng cho nam châm Nd-Fe-B mà trong đó pha phi

từ ở biên hạt đóng vai trò làm trơn biên hạt, loại bỏ các vị trí tạo mầm Vì vậy, namchâm rất khó bị khử từ do phải tạo ra các mầm đảo từ mới Đã có sự phù hợp tốtgiữa lý thuyết và thực nghiệm khi áp cơ chế mầm là cơ chế lực kháng từ ưu tiên choloại nam châm thiêu kết Nd-Fe-B [24, 31, 58]

b) Nam châm loại ghim vách đômen

Trong nam châm loại ghim vách đômen, quá trình từ hóa diễn ra theo cơ chếkhác, các vách đômen bị ghim giữ do sự bất đồng nhất về cấu trúc trong các hạt nênkhông thể di chuyển ngay bên trong hạt Sự bất đồng nhất này tác động như các tâmghim vách đômen làm chúng không thể dịch chuyển, dẫn đến sự đảo từ bị ngăn cản,ngoại trừ sự thay đổi nhỏ của từ độ do vách đômen bị uốn cong Các dạng tâm ghimvách đômen được minh họa như trên hình 1.13 Sự ngăn cản dịch chuyển váchđômen của các tâm ghim vách làm cho việc từ hoá mẫu khó khăn hơn, cụ thể là từ

độ của mẫu tăng chậm khi từ trường ngoài còn nhỏ và tính thuận nghịch rất thấp Sựđảo từ chỉ xảy ra khi từ trường ngoài ngược chiều đủ lớn (H  HP  HN) do mẫucũng chịu cơ chế ghim vách đômen giống như quá trình từ hoá ban đầu Lực kháng

từ bằng trường lan truyền vách HP, quá trình này được mô tả trên hình 1.12c

Hình 1.13 Một số tâm ghim vách đômen: các tâm nằm trên vách phẳng (a),

tâm dạng thanh (b) và tâm tròn (c) [37].

Trong vật liệu thực tế, vách đômen không di chuyển thuận nghịch Biên hạt,tạp và những sai hỏng khác có thể làm thấp năng lượng váchmở một vị trí nào đó

trong vật liệu, hoặc chúng có thể là rào

cản trước vách để ngăn chặn sự dịch

chuyển vách thông qua sai hỏng [57,

90, 143] Hình 1.14a cho thấy hai loại

sai hỏng trong vật liệu và ảnh hưởng

của chúng lên sự dịch chuyển vách khi

từ trường ngoài vuông góc Sai hỏng

phi từ làm giảm năng lượng vách địa

phương do diện tích của vách giảm

Trong khi đó, sai hỏng dị hướng cao

làm tăng năng lượng vách địa phương

Sự tương tác vách đômen với tạp được

diễn tả bằng năng lượng vách phụ

thuộc vị trí w(x) (hình 1.14b) Dạng

năng lượngw(x) gồm năng lượng tối thiểu và tối đa để tạo ra năng lượng cản trở sự

di chuyển vách [143] Lưu ý rằng, các sai hỏng cũng có thể làm thấp lực kháng từnếu đó là các vị trí mầm đảo từ hoặc làm tăng lực kháng từ nếu đó là vị trí ghimvách đômen

Nam châm vĩnh cửu nền Sm2Co17 thuộc loại ghim vách đômen Trong namchâm này, pha SmCo5 chứa dư Cu được kết tủa bên trong pha nền, có năng lượngvách đômen thấp hơn năng lượng của pha nền Sm2Co17 Biên hạt trở thành nơi ghimvách đômen làm tăng lực kháng từ [24]

1.3.3 S ự phụ thuộc nhiệt độ của lực kháng từ

Lực kháng từ của nam châm Nd-Fe-B rất nhạy và thể hiện sự giảm đơn điệutheo nhiệt độ như trên hình 1.15 Sự phụ thuộc nhiệt độ của lực kháng từ cho thấy

sự khác biệt đặc trưng trong phạm vi nhiệt độ cao và thấp Khi nhiệt độ cao, nguồngốc của sự suy giảm lực kháng từ là do cơ chế lực kháng từ đã chuyển từ kiểu mầmđảo từ sang kiểu tâm ghim vách đômen Trong cơ chế tâm ghim vách đômen, nănglượng nhiệt giúp đômen di chuyển vượt qua năng lượng cản dẫn đến Hcnhỏ ở nhiệt

a)

b) Hình 1.14 Hai loại sai hỏng (a) và năng lượng vách đômen phụ thuộc vào vị trí khi không có từ trường ngoài (b) [14].

độ cao Trong khi đó, vai trò của năng

lượng nhiệt là không rõ ràng trong cơ

chế mầm đảo từ, bởi vì Hc phụ thuộc

nhiệt độ được xác định bởi sự phụ thuộc

vào nhiệt độ của cả hằng số dị hướng K1

và từ độ bão hòa Một cách lí giải khác

là ở nhiệt độ cao, biên hạt không đồng

nhất và trở thành thuận từ

Sự suy giảm nhanh của lực kháng

từ đã hạn chế một số ứng dụng của nam

châm trong các thiết bị có nhiệt độ làm

việc lớn như mô tơ, máy phát điện

Chính vì vậy, để ứng dụng nam châm Nd-Fe-B trong các thiết bị này cần phải đưathêm nguyên tố Dy thay thế một phần Nd nhằm tăng lực kháng từ lên trên 20 kOe,thay cho giá trị vào khoảng 10 - 15 kOe của các nam châm không chứa Dy Lượng

Dy thay thế cho Nd có thể lên tới 40%, tùy theo mục đích sử dụng Tuy nhiên, Dy

có giá thành đắt gấp khoảng bốn lần so với Nd, do đó, nhiều nghiên cứu đang tìmcách nâng cao lực kháng từ của nam châm thiêu kết Nd-Fe-B bằng công nghệ mớinhư xử lý nhiệt [63, 111, 124, 133], khuếch tán biên hạt [43, 81, 107, 109, 142],thêm các nguyên tố phi đất hiếm (Cu, Al, Nb ) [88, 95, 141] hay đưa vào các hạt từkích thước nanomet [22, 53, 67, 115] để làm giảm hàm lượng Dy

1.4 Công nghệ chế tạo nam châm thiêu kết Nd-Fe-B

Nam châm thiêu kết được chế tạo nhiều trong công nghiệp và chiếm tỉ phầncao nhất trong các nam châm đất hiếm thương mại Phương pháp chế tạo thườngdùng là phương pháp luyện kim bột Đây là phương pháp ra đời từ rất lâu (năm1920) và được ứng dụng rộng rãi để chế tạo các vật liệu dùng trong công nghiệp vàđời sống Phương pháp luyện kim bột có ưu điểm là cho phép chế tạo ra các chi tiết

có độ chính xác cao, tiết kiệm được nguyên liệu và năng lượng, đồng thời sản phẩm

có cấu trúc rất đồng nhất Tuy nhiên, nhược điểm là trong cấu trúc luôn tồn tại lỗ

Hình 1.15 Sự phụ thuộc nhiệt độ của lực kháng từ trong một số nam châm

vĩnh cửu [45].

xốp, khó chế tạo chi tiết có hình dạng phức tạp và phải sản xuất với số lượng lớnmới có hiệu quả kinh tế.

Hình 1.16 Các công đoạn trong quy trình chế tạo nam châm thiêu kết Nd-Fe-B,

các hình nhỏ kế bên minh họa rõ hơn các bước đó.