Tìm hiểu công nghệ chế tạo nam châm thiêu kết nguội nhanh NdFeB ở quy mô công nghiệp

Giới thiệu chung về hiệu ứng tổng trở khổng lồ Hiệu ứng tổng trở khổng lồ - NDFE Giant Magneto - impedanceeffect - NDFE là sự thay đổi mạnh tổng trở Z của vật dẫn có từ tính dưới tác c

Trường ĐHSP Hà Nội 2 Khoá luận tốt nghiệp

Vì vậy việc cung cấp cho sinh viên nói chung và sinh viên nghiên cứu vật

lý nói riêng các kiến thức cơ bản về các loại vật liệu và phương pháp chế tạo

sự thay đổi của tổng trở Z là không nhiều nên chưa thu hút được sự quan tâmcủa các nhà khoa học

Đến năm 1994, khi Beach và Panina phát hiện sự thay đổi rất lớn củatổng trở dưới tác dụng của từ trường trong dây dẫn vô định hình nền Co

Hiệu ứng này được quan tâm trở lại và được gọi là hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ

Hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ - NdFe được bắt đầu nghiên cứu từ năm

2001 đến nay tại phòng thí nghiệm vật lý kĩ thuật ĐHBK Hà Nội

Bằng phương pháp điện kết tủa người ta có thể tạo ra những vật liệu cóhiệu ứng từ tổng trở khổng lồ - NdFe cao Mục đích của phương pháp này là

để tăng thêm tính chất bề mặt vật liệu ban đầu cũng như là để bảo vệ chúngkhỏi tác động của môi trường bên ngoài

II Mục đích nghiên cứu

1 Nâng cao hiểu biết, hiểu sâu sắc hơn các vấn đề về vật liệu từ,một trong những vấn đề của vật lý hiện đại có nhiều ứng dụngtrong kỹ thuật

2 Đây cũng là đợt tập dược nghiên cứu khoa học

III Nhiệm vụ nghiên cứu

1 Nghiên cứu hiệu ứng tổng trở khổng lồ - NdFe

2 Nghiên cứu phương pháp chế tạo vật liệu từ mềm nền Co có hiệuứng NdFe cao bằng công nghệ điện kết tủa

IV Đối tượng nghiên cứu

1 Dây CoP

2 Phương pháp điện kết tủa

V Phương pháp nghiên cứu

1 Đọc tài liệu trong và ngoài nước

2 Tìm hiểu các bài nghiên cứu khoa học

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HIỆU ỨNG TỔNG TRỞ KHỔNG

LỒ - NDFE

1 Hiệu ứng tổng trở khổng lồ ( Giant Magneto impedance effect – NDFE

) 1.1 Giới thiệu chung về hiệu ứng tổng trở khổng lồ

Hiệu ứng tổng trở khổng lồ - NDFE ( Giant Magneto - impedanceeffect - NDFE ) là sự thay đổi mạnh tổng trở Z của vật dẫn có từ tính dưới tác

cho hiệu ứng NDFE, người ta đưa ra tỷ số NDFEr được định nghĩa như sau:

GMIR  Z (H )  Z (H max )

Z (H max

)

- Z(H): Từ tổng trở được đo ở từ trường H

Hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ mang bản chất điện từ Nó là sự kết hợpgiữa hiệu ứng bề mặt và sự phụ thuộc của độ từ thẩm hiệu dụng (  eff) củadây dẫn vào từ trường Người ta quan sát thấy hiệu ứng NDFE trong các vậtliệu từ siêu mềm như: Dây băng màng mỏng vô định hình và nano tinh thể Với tỷ số NDFEr từ 100% đến 500% ở nhiệt độ phòng Để tạo ra những vậtliệu có hiệu ứng NDFE cao người ta sử dụng các phương pháp khác nhaunhư: Nguội nhanh, bốc bay, quay phủ, điện kết tủa Hiệu ứng này đã và đang

mở ra một hướng đi đầy triển vọng trong việc phát triển vật liệu từ

1.2 Hiệu ứng tổng trở khổng lồ NDFE

Khi cho dòng điện xoay chiều i = Ioeit chạy qua một mạch điện gồmcác thành phần điện trở, cảm kháng và dung kháng Các thành phần này của

mạch điện cản trở chống lại dòng điện chính và được gọi là tổng trở của dâydẫn Để đi đến khái niệm tổng trở của một dây dẫn có từ tính, chúng ta xét cácquá trình xảy ra khi cho dòng điện xoay chiều i qua dây dẫn có từ tính Dòngđiện xoay chiều này sẽ sinh ra một từ trường vuông góc với dây dẫn có từ tính( hình 1.1) Trong dây dẫn có từ tính xuất hiện một suất điện động cảm ứngbiến thiên do sự biến thiên của từ trường sinh ra bởi dòng điện chính i, suấtđiện động cảm ứng này tạo ra dòng điện cảm ứng i' có chiều ngược với chiềucủa dòng điện chính i Dòng điện cảm ứng này có tác dụng chống lại dòngđiện chính cũng tương đương như sự cản trở của mạch điện RLC và được gọitổng trở của dây dẫn có từ tính.

Dòng điện cao tần i = Ioeit chạy trong

dây dẫn sinh ra một từ trường Ht quanh dây i=I o e

ngang ( phương vuông góc với trục của dây

Z=R + jX (1.2)Với

1.3 Các yếu tố ảnh hưởng tới hiệu ứng tổng trở khổng lồ

1.3.1 Ảnh hưởng của độ từ thẩm lên hiệu ứng tổng trở khổng lồ

Độ từ thẩm của vật liệu là một hàm của từ trường H và tần số f, tùytheo mỗi một loại vật liệu mà sự phụ thuộc đó là nhiều hay ít Trong các vật

có thể bỏ qua Do do đó tổng trở của chúng chỉ thay đổi theo tần số Nhưngđối với các vật dẫn từ là các vật liệu từ mềm đặc biệt có độ từ thẩm rất lớn 

đổi mạnh theo từ trường và tần số (  = (H, f) ), kéo theo sự thay đổi mạnh tổng trở khi từ trường và tần số thay đổi

Do hiệu ứng bề mặt, dòng điện chủ yếu tập trung trên bề mặt của vật

 2

wall (f, H) là độ từ thẩm do quá trình dịch vách domain.

rot (f, H) là độ từ thẩm do quá trình quay vec tơ từ độ

f là tần số của dòng xoay chiều

H là từ trường ngoài một chiều

vì thành phần từ trong mỗi domain giảm khi momen từ hướng theo từ trường

Hk, sau đó giảm nếu từ trường tăng nữa bởi vì momen từ được gim theohướng từ trường ngoài.

Ở vùng tần số thấp quá trình dịch vách domain ở lớp vỏ chiếm ưu thếhơn quá trình quay véctơ từ độ ở domain lõi Ở tần số cao quá trình dịch váchdomain bị dập tắt bởi dòng xoáy, khi này đóng góp vào độ từ thẩm hiệu dụng

dưới tác dụng của từ trường ngoài một chiều eff (f, H) = rot(f, H)

một vài A/m ), trục domain hướng

theo phương từ dễ và µo sinh ra

chủ yếu từ quá trình quay của

véctơ từ độ Cùng với quá trình

tăng dần của từ trường tĩnh, độ từ

đó kéo theo cả sự giảm dần của

NDFEr Tuy nhiên, khi xem xét

vẫn tìm thấy sự tồn tại của cấu trúc rất mịn, và trên thực tế, giá trị NDFEr caonhất thường đạt tới tại giá trị lực kháng từ Hc

Trong trường hợp của dây có cấu trúc domain tròn ( còn được gọi là cấutrúc bambô ), độ từ thẩm xuất hiện chủ yếu từ quá trình dịch vách domain

phương của từ trường tĩnh Trên thực tế, độ từ thẩm do quá trình quay của véc

tơ từ độ µrot tăng cùng với quá trình giảm dần của độ từ thẩm µwall do quátrình dịch vách domain Giá trị độ từ thẩm lớn nhất đạt được tại thời điểm từtrường tĩnh cân bằng với trường dị hướng Hk, đồng thời tại vị trí đó NDFErcũng đạt giá trị lớn nhất.

Tương tự với từ trường tĩnh, ứng suất đặt vào cũng làm thay đổi độ từthẩm và do đó làm thay đổi tổng trở ( hình1.4 ) Hiện tượng từ giảo đóng vaitrò quan trọng trong quá trình xác định tỷ số NDFE và có thể được tính toán

từ đường cong của trường dị hướng thay đổi theo ứng suất

Hình1.4

Nói tóm lại độ từ thẩm phụ thuộc vào rất nhiều các yếu tố khác nhau như:Bản chất của vật liệu, tần số, cấu trúc domain, tính dị hướng, ứng suất, vàkiểu từ hóa ( quá trình dịch vách domain hay quá trình quay véctơ từ độ )…

Do vậy hiệu ứng tổng trở khổng lồ cũng phụ thuộc vào các yếu tố trên Bằngcác kết quả thực nghiệm các nhà khoa học trên thế giới đã khẳng định được:Hiệu ứng NDFE đạt kết quả tốt nhất trong các vật liệu từ mềm vô định hình

o

và nanô tinh thể có hệ số từ giảo gần như bằng 0 ( tính từ mềm tốt  lớn ),đồng thời trên cùng một loại vật liệu từ mềm thì ứng với mỗi một tần số vàquy trình công nghệ chế tạo khác nhau thì hiệu ứng tổng trở khổng lồ cũngkhác nhau

1.3.2 Ảnh hưởng của độ dầy thấm sâu của bề mặt lên hiệu ứng tổng trở khổng lồ

Như đã biết, đối với dòng điện một chiều thì mật độ dòng điện phân bốđều trên tiết diện của dây dẫn Nhưng đối với dòng điện xoay chiều đặc biệt làvới dòng điện cao tần, mật độ dòng điện có xu hướng tập trung nhiều ở lớpmỏng trên bề mặt của dây dẫn và giảm mạnh khi đi sâu vào bên trong lõi dâydẫn Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng bề mặt

Mật độ của dòng điện cao tần giảm theo hàm mũ từ bề mặt dây dẫn vào

Hinh 1.5.

Cấu trúc domain và hiệu ứng NDFE có thể được thay đổi nhờ quá trình

xử lý nhiệt tạo ra các dị hướng từ đơn trục hoặc dị hướng tròn thông qua quátrình ủ nhiệt có từ trường hoặc có ứng suất Ảnh hưởng của dòng điện lênhiệu ứng NDFE được chỉ ra ở hình 2 với mẫu dây vô định hình được ủ trongmôi trường ứng suất Tại mật độ dòng thấp, do chỉ xuất hiện chủ yếu là quátrình dịch vách nên ở đường cong NDFE có xuất hiện hiện tượng tách đỉnh.Khi tăng dần mật độ dòng điện, hiện tượng tách đỉnh dần dần biến mất Hiệntượng trễ trong đường cong NDFE có liên quan trực tiếp đến hiện tượng trễ

trong quá trình từ hoá, và từ trường bất thuận nghịch có thể được định nghĩa

là từ trường mà tại đó tính bất thuận nghịch của đường cong từ trễ và đườngcong NDFE bị biến mất Tính trễ bị khử dần do quá trình ủ nhiệt làm đồngnhất tính chất từ của vật liệu Do vậy tính trễ đang dần được loại bỏ trong hiệuứng NDFE

1.4 Mô hình giải thích hiệu ứng tổng trở khổng lồ - NDFE

Hiệu ứng tổng trở khổng lồ - NDFE có ý nghĩa quan trọng trong việcứng dụng vật liệu từ vào khoa học kỹ thuật cũng như đời sống hàng ngày

Nên ngay sau khi được tìm thấy vào năm 1994, có rất nhiều mô hình lýthuyết được đưa ra nhằm giải thích cơ chế của hiệu ứng này Một số mô hình

đã rất thành công với mục đích này, tuy nhiên mỗi mô hình toán học chỉ phùhợp với mỗi dải tần số nhất định Đồng thời có mô hình chỉ giải thích đượcnguồn gốc của hiệu ứng NDFE mà chưa nói lên được mối liên hệ giữa cấutrúc domain, dị hướng từ và tỷ số NDFE

Trong phạm vi nghiên cứu của luận văn Nghiên cứu hiệu ứng tổng trởkhổng lồ - NDFE trong vật liệu từ mềm giầu Co với giải tần số thấp ( 10 KHzđến 10 MHz ) có một số mô hình toán học đã được tìm thấy có dải tần phùhợp với dải tần nghiên cứu ( lớn hơn 10 KHz ) và dạng hình học của vật liệu.Tuy nhiên, các mô hình này do xuất phát từ quá trình dẫn từ và hiệu ứng bềmặt nên chỉ giải thích được nguồn gốc của hiệu ứng NDFE và mối liên hệgiữa cấu trúc domain, dị hướng Còn quá trình từ hóa và các cấu trúc domainthành phần trong các mô hình này vẫn chưa được khai thác triệt để Chính vìvậy một mô hình mới đã được đưa ra Trong đó, mối quan hệ giữa cấu trúcdomain và quá trình từ hóa của chất sắt từ với độ từ thẩm ngang và tỷ sốNDFE được thể hiện Mô hình này dựa trên mô hình của Squire dành cho quátrình từ hóa và hiệu ứng từ giảo trong vật liệu từ mềm Mô hình này có thểđược sử dụng trong cả vật dẫn có cấu trúc hình trụ và vật dẫn có cấu trúcphẳng ( hai cấu trúc này chỉ khác nhau về độ lớn của năng lượng khử từngang ) Với dạng hình trụ, trường khử từ tròn là rất nhỏ do từ trường trònxoay liên tục duy trì Với dạng phẳng, trường khử từ ngang phụ thuộc vào bềrộng của mẫu Mô hình này bao gồm cả quá trình dịch vách domain và qúatrình quay của véctơ từ độ dưới tác dụng của từ trường ngoài cũng như từ

trường do dòng cao tần gây ra Hình (1.6) chỉ ra cấu truc domain và các góc được sử dụng trong mô hình :

Hình 1.6 Mô hình giải thích hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ - NDFE.

Mô hình này có thể được sử dụng trong cả vật dẫn có cấu trúc hình trụ vàvật dẫn có cấu trúc phẳng ( hai cấu trúc này chỉ khác nhau về độ lớn của nănglượng khử từ ngang ) Với cấu trúc hình trụ, sự có mặt của vécto từ độ theodạng vòng khép kín, trường khử từ tròn rất nhỏ Với cấu trúc phẳng, trườngkhử từ ngang phụ thuộc vào bề rộng của mẫu Mô hình này bao gồm cả quátrình dịch vách domain và quá trình quay của vécto từ độ dưới tác dụng của từtrường ngoài cũng như từ trường do dòng cao tần gây ra

Hình (1.6) thể hiện cấu trúc domain và các góc được sử dụng trong mô hình.Xét mô hình dây bao gồm các domain vách 180º như hình vẽ trong đó: θ

là góc tạo bởi vách domain từ trường ngoài Hax và từ trường ngang Ht dodòng điện sinh ra, vuông góc với vật dẫn, d là kích thước domain khi không

có từ trường ngoài và x là độ dịch chuyển của vách domain dưới tác dụng của

từ trường ngoài và từ trường ngang

Trong mô hình này, mật độ năng lượng tự do cũng được cực tiểu hóanhằm xác định cấu trúc domain ( bao gồm vị trí của vách domain và góc quay

từ hóa ) Mật độ năng lượng tự do được xác định theo công thức sau:

ax t

Với UK là mật độ năng lượng dị hướng đơn trục và được tính theo côngthức sau:

Với u = x/d và  đơn vị đo độ cứng của vách domain Đại lượng này

tại vị trí có năng lượng cực tiểu tương ứng với từ trường Hax đặt vào và từ

của các thông số trên dưới tác dụng của từ trường ngang nhỏ Sự khác biệt

M giữa các quá trình từ hóa ngang với sự có mặt và không có mặt của từtrường ngang cho phép tính được độ từ cảm ngang

 t   M Ht 

2

U tot

Ở đây trọng tâm của mô hình này chủ yếu nhằm vào ba khía cạnh chínhtrong mối quan hệ giữa từ tổng trở và cấu trúc domain Khía cạnh thứ nhấtđược nhắc đến là mối quan hệ giữa quá trình từ hóa và hiệu ứng từ tổng trở.Vấn đề này cũng đã được làm sáng tỏ thông qua kết luận dạng của đườngcong từ tổng trở NDFE là một hàm phụ thuộc tần số của dòng điện kích thích.Những nghiên cứu về độ từ thẩm cũng nhấn mạnh rằng quá trình dịch váchdomain cũng bị gim lại khá mạnh phụ thuộc vào dòng xoay chiều tại tần sốcao Do đó, mô hình này được sử dụng để tính toán độ từ thẩm ngang cho cácvật liệu mà tại đó lượng dịch chuyển vách domain do từ trường ngang gây rađược làm cho nhỏ dần đi.

Khía cạnh thứ hai được nhắc đến trong mô hình này là mối quan hệ giữa

sự định hướng dị hướng trục dễ với NDFE Các kết quả nghiên cứu chỉ rarằng dạng của đường cong NDFE phụ thuộc vào định hướng trục dễ

Khía cạnh cuối cùng là sự phân bố về độ lớn của tính dị hướng lên hiệuứng NDFE

1.5 Hiên tượng tách đỉnh - lý thuyết dị hướng từ

Trong quá trình tìm hiểu và nghiên cứu hiệu ứng NDFE, một số kết quảquan sát được cho thấy có sự khác biệt ở đường cong NDFE trong khoảng từtrường nhỏ ( -50÷ 50 Oe ) Hiện tượng này làm đường cong tỷ số NDFE cóhai điểm đạt giá trị lớn nhất - được gọi là hiện tượng tách đỉnh Điều này gâyhạn chế trong việc ứng dụng các sensor đo và nhậy từ trường Cơ chế của hiệntượng tách đỉnh ở đường cong NDFE liên quan đến tính dị hướng của mẫunghiên cứu và được giải thích theo mô hình sau:

Hình 1.7 Hình dạng đường cong NDFE có hiện tượng tách đỉnh.

Cơ chế của hiện tượng tách đỉnh ở đường cong NDFE liên quan đếntính dị hướng của mẫu nghiên cứu và được giải thích theo mô hình sau:

Năng lượng của dây dẫn từ tính đặt

trong từ trường H (Hình 1.8):

E = K sin2K - MsHextsin(+K)

Trong đó E năng lượng toàn phần

của hệ, K hằng số dị hướng của vật liệu

Hình1.8: Mô hình dị hướng

giải thích hiện tượng tách đỉnh của đường cong tỷ số.

và phương từ độ M của vật liệu

Ta có điều kiện cân bằng của hệ trên là: E

kháng từ của vật liệu Và theo biểu thức (1.1) tính tổng trở Z của dây dẫn thì

ta cũng có đường cong tỷ số NDFER sẽ tách hai đỉnh ở Hc như được mô tả

ở hình (1.8)

1.6 Hợp kim phosphor - chế tạo bằng phương pháp điện kết tủa

Hợp kim phosphor hiện nay được quan tâm đến khá nhiều do những tínhchất thú vị của nó Người ta nhân thấy rằng, tính chất của hợp kim phosphorđiện kết tủa khá giống so với tính chất của hợp kim phosphor kết tủa hóa học.Nguyên nhân của nó có thể được giải thích do thành phần của hợp kim nàybao gồm một phần nhỏ của nguyên tố phi kim loại

Bề mặt của lớp kết tủa thay đổi rất nhiều, phụ thuộc vào hàm lượng củaphosphor có trong kết tủa Với các lớp kết tủa chứa hàm lượng P nhiều hơn2% có bề mặt rất mịn Với các lớp kết tủa chứa hàm lượng P khoảng 5% có

bề mặt khá sáng và khi hàm lượng P đạt tới hơn 10 % thì bề mặt sáng bóng

Để xác định cấu trúc của hợp kim người ta sử dụng phương pháp nhiễu

xạ tia X Các nghiên cứu bằng nhiễu xạ tia X trên họ hợp kim phosphor cho

t

K K