TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2KHOA VẬT LÝ ĐINH TIẾN DŨNG TÌM HIỂU CẤU TRÚC, TÍNH CHẤT VÀ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO NAM CHÂM THIÊU KẾT Nd-Fe-B Chuyên nghành: Vật lý chất rắn KHÓA LUẬN
Trang 1TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA VẬT LÝ
ĐINH TIẾN DŨNG
TÌM HIỂU CẤU TRÚC, TÍNH CHẤT VÀ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO
NAM CHÂM THIÊU KẾT Nd-Fe-B
Chuyên nghành: Vật lý chất rắn
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Người hướng dẫn khoa học:
ThS NGUYỄN VĂN DƯƠNG
HÀ NỘI, 2019
Trang 2LỜI CẢM ƠN
Trước tiên, em xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sự tri ân sâu
sắc thầy ThS Nguyễn Văn Dương đã tận tình dìu dắt, truyền đạt kiến thức,
kinh nghiệm cho em trong suốt quá trình thực hiện khóa luận tốt nghiệp này
Em xin gửi lời cảm ơn tới quý thầy cô trong Khoa Vật lý, Trường Đạihọc Sư phạm Hà Nội 2, đã trang bị kiến thức khoa học, tạo môi trường họctập thuận lợi cho em trong suốt thời gian vừa qua
Sau cùng, em xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới bố, mẹ nhữngngười thân trong gia đình và bạn bè đã động viên và luôn giúp đỡ em trongsuốt quá trình làm khóa luận
Một lần nữa, xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày 02 thàng 5 năm 2019
Sinh viên
Đinh Tiến Dũng
Trang 3LỜI CAM ĐOAN
Khóa luận tốt nghiệp “Cấu trúc, tính chất và quy trình công nghệchế tạo nam châm thiêu kết Nd-Fe-B” là kết quả nghiên cứu riêng của tôidưới sự hướng dẫn của ThS Nguyễn Văn Dương Báo cáo này không saochép từ bất cứ tổ chức và cá nhân nào khác
Tôi xin cam đoan những điều trên là đúng sự thật, nếu sai tôi xinchịu hoàn toàn trách nhiệm
Hà Nội, ngày 02 thàng 5 năm 2019
Sinh viên
Đinh Tiến Dũng
Trang 4MỤC LỤC
MỞ ĐẦU 1
1 Lý do chọn đề tài 1
2 Mục đích nghiên cứu 2
3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2
4 Nhiệm vụ nghiên cứu 2
5 Phương pháp nghiên cứu 2
6 Đóng góp của đề tài 2
7 Cấu trúc của khóa luận 2
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NAM CHÂM THIÊU KẾT Nd-Fe-B 3
1.1 Lịch sử phát triển của vật liệu từ cứng nền Nd-Fe-B 3
1.2 Cấu trúc và tính chất từ của nam châm thiêu kết Nd-Fe-B 6
1.2.1 Cấu trúc của nam châm thiêu kết Nd-Fe-B 6
1.2.2 Tính chất từ của nam châm thiêu kết Nd-Fe-B 8
1.3 Sự phụ thuộc nhiệt độ của lực kháng từ 19
CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO NAM CHÂM THIÊU KẾT Nd-Fe-B 21
2.1 Các công đoạn chế tạo nam châm thiêu kết Nd-Fe-B 21
2.2 Chế tạo hợp kim ban đầu 22
2.3 Nghiền hợp kim 23
2.4 Ép tạo viên nam châm trong từ trường 26
2.5 Thiêu kết 27
2.6 Xử lý nhiệt 29
2.7 Gia công mẫu và nạp từ 29
KẾT LUẬN 31
TÀI LIỆU THAM KHẢO 32
Trang 5DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Trang 6Mm, Mv : Từ độ theo khối lượng, thể tích
Ms, Mr : Từ độ bão hòa, từ độ dư
TC : Nhiệt độ Curie
: Pha từ cứng Nd2Fe14B
: Pha giàu B Nd1+ Fe4B4
: Khối lượng riêng
: Năng lượng bề mặt riêng
0 : Độ từ thẩm trong chân không
w(x) : Năng lượng vách đômen phụ thuộc vị trí
Trang 7Hình 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 5
Hình 1.4 Vi cấu trúc của nam châm thiêu kết Nd-Fe-B 6 Hình 1.5 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) 6
Hình 1.6 Ảnh lớp mỏng pha giàu Nd giữa các hạt 7 Hình 1.7 Minh họa quá trình từ hóa, khử từ và vị trí trường tạo mầm HN 13
Hình 1.8 Đường từ hoá ban đầu và đường từ trễ của nam châm loại mầm đảo
từ và nam châm loại ghim vách đômen 13
Hình 1.9 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 15
Hình 1.10 Các đường cong mô tả quá trình đảo từ của vật liệu có cấu trúc
khác nhau 16
Hình 1.11 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 ghimvách đômen ở biên hạt (b), mầm đảo từ không đồng nhất và phân
bố trong các hạt (c) 17
Hình 1.12 Một số tâm ghim vách đômen: các tâm nằm trên vách phẳng (a),
tâm dạng thanh (b) và tâm tròn (c) 18
Hình 1.13 Hai loại sai hỏng (a) và năng lượng vách đômen phụ thuộc vào vị
trí khi không có từ trường ngoài (b) 18
Hình 1.14 Sự phụ thuộc nhiệt độ của lực kháng từ trong một số nam châm
vĩnh cửu 19
Hình 1.15 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 .21
Hình 1.16 Mặt cắt thẳng đứng của giản đồ pha ba nguyên Nd-Fe-B theo
đường tỉ lệ Nd/B = 2/1 22
Hình 1.17 Nguyên lý kỹ thuật nghiền cơ học (nghiền bi) 24
Trang 8Hình 1.19 Quá trình tách vỡ trong hyđrô 25 Hình 1.20 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 khuôncao su (d) 26
Hình 1.21 Đường cong khử từ của nam châm thiêu kết chế tạo theo phương
pháp RIP 27
Hình 1.22 Các giai đoạn xảy ra trong mẫu khi thiêu kết (initial state mixed
powders: bột ban đầu; solid state: trạng thái rắn; rearrangement:sắp xếp lại; solution-reprecipitation: hòa tan-kết tủa; finaldensification: quá trình cô đặc) 28
Hình 1.23 Đường cong khử từ của mẫu tương ứng với vi cấu trúc sau quá
trình thiêu kết (as-sintered) và xử lý nhiệt (annealed) 29
Trang 91 Lý do chọn đề tài
MỞ ĐẦU
Trang 10Vật liệu từ cứng (VLTC), cùng với các sản phẩm ứng dụng của nó quengọi là nam châm vĩnh cửu, là vật liệu có khả năng tàng trữ năng lượng của từtrường tác động lên nó và tự mình trở thành nguồn phát từ trường Tính chất
từ của vật liệu được đặc trưng bởi các tham số như lực kháng từ nội tại Hc,cảm ứng từ dư Br, tích năng lượng cực đại (BH)max, được xác định dựa vàocác đường cong từ hoá M(H) và B(H) Lực kháng từ Hc đặc trưng cho khảnăng phản ứng đối với trường khử từ của vật liệu sau khi được từ hóa đến bãohòa Dựa vào giá trị của Hc người ta phân loại vật liệu từ thành vật liệu từmềm, vật liệu ghi từ và vật liệu từ cứng Cảm ứng từ dư Br xác định mật độthông lượng còn lại trong nam châm sau khi nó được từ hoá, và do vậy nó đặctrưng cho độ mạnh của nam châm Tích năng lượng cực đại (BH)max là tham
số dẫn suất để đánh giá phẩm chất VLTC, đặc trưng cho khả năng tàng trữnăng lượng từ phụ thuộc vào các tính chất từ nội tại của vật liệu, thường mang
ý nghĩa ứng dụng
Trong suốt thế kỷ XX, một số nam châm vĩnh cửu đã được phát hiện Kỹthuật để sản xuất có hiệu quả những nam châm này đã được nghiên cứu Tíchnăng lượng (BH)max của nam châm luôn được cải thiện, ban đầu 1 MGOecho vật liệu thép được phát hiện trong suốt giai đoạn đầu của thế kỷ này, sau
đó tăng lên 3 MGOe cho ferrit có cấu trúc lục giác và cuối c ng đạt giá trị
59 MGOe với nam châm Nd-Fe-B Sau khi nam châm thiêu kết được phátminh vào năm 1983, nhiều ứng dụng mới như thiết bị chụp cộng hưởng từ(MRI), động cơ cuộn dây âm thanh (VCM) cho ổ đĩa cứng (HDD)… đã nổilên và thị trường khổng lồ đã được tạo ra Ngày nay, các ứng dụng trong động
cơ công nghiệp, ôtô hay thiết bị điện đòi hỏi nam châm phải có từ dư Br vàlực kháng từ Hc cao hơn trước Tính chất từ của nam châm thiêu kết Nd-Fe-Bđược cải thiện bằng nâng cao giá trị Br và Hc Sự cải thiện Br được thực hiệnbằng các phương pháp sau: tăng tỉ phần thể tích của pha chính Nd2Fe14B, cảithiện sự định hướng các hạt trong quá trình ép hay tạo được mật độ dày trongquá trình thiêu kết Đối với lực kháng từ Hc, việc cải tiến, nâng cao, hoàn
Trang 11thiện công nghệ chế tạo để tạo ra vi cấu trúc tối ưu hay bổ sung vào thành phầnhợp kim một số các nguyên tố khác ngoài các thành phần chính là Nd, Fe, B s làm tăng cường đáng kể giá trị Hc Việc nắm rõ vi cấu trúc, c ng như các tham
số ảnh hưởng trong công nghệ chế tạo để tạo được nam châm thiêu kết Nd-Fe-
B có phẩm chất từ cao vẫn là một hướng nghiên cứu cần được quan tâm
Chính vì vậy chúng tôi lựa chọn đề tài “Cấu trúc, tính chất và quy trình công nghệ chế tạo nam châm thiêu kết Nd-Fe-B”.
2 Mục đích nghiên cứu
- Nghiên cứu cấu trúc, tính chất và quy trình chế tạo nam châm thiêu kếtNd-Fe-B
3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Nam châm thiêu kết Nd-Fe-B
- Tìm hiểu cấu trúc, tính chất và quy trình chế tạo
4 Nhiệm vụ nghiên cứu
- Tìm hiểu cấu trúc, tính chất từ của nam châm thiêu kết Nd-Fe-B
- Tìm hiểu để biết được các quy trình công nghệ trong việc chế tạo nam châm thiêu kết Nd-Fe-B
5 Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu lý thuyết
6 Đóng góp của đề tài
- Hoàn thành việc nghiên cứu cấu trúc, tính chất và quy trình công nghệchế tạo là cơ sở cho việc chế tạo nam châm thiêu kết Nd-Fe-B có tính chất từtốt đáp ứng các yêu cầu ứng dụng thực tế
7 Cấu trúc của khóa luận
Ngoài phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo luận văn được trìnhbày trong hai chương:
Chương 1: Tổng quan về nam châm thiêu kết Nd-Fe-B
Chương 2: Quy trình công nghệ chế tạo nam châm thiêu kết Nd-Fe-B
Trang 12CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NAM CHÂM THIÊU KẾT Nd-Fe-B1.1 Lịch sử phát triển của vật liệu từ cứng nền Nd-Fe-B
Sự hình thành và phát triển của vật liệu từ cứng (VLTC), cùng với cácsản phẩm ứng dụng của nó được quen gọi làm nam châm vĩnh cửu, là vật liệu
có khả năng tàng trữ năng lượng và tự mình trở thành nguồn phát từ trườnggắn liền với viếc việc tìm ra vật liệu mới có tích năng lượng cực đại (BH)maxlớn đáp ứng yêu cầu ứng dụng thực tế Trong thế kỷ XX cứ sau mỗi 20 nămgiá trị (BH)max lại tăng 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 [1].
Bước đột phá đáng chú ý nhất trong nghiên cứu VLTC là việc phát hiện
ra tính chất từ của vật liệu SmCo5 với tích năng lượng (BH)max cỡ 20MGOevào năm 1967 [2] Đây là hợp kim từ cứng chứa đất hiếm đầu tiên và có tíchnăng lượng cực đại lớn hơn rất nhiều so với các VLTC trước đó như ferit có
nguyên tố đất hiếm có tính dị hướng từ tinh thể mạnh cho lực kháng từ lớn vàkim loại chuyển tiếp có nhiệt độ Curie cao, từ độ bão hòa lớn Trữ lượng củacác nguyên tố đất hiếm nhẹ trong vỏ Trái Đất c ng nhiều không kém các kimloại thông dụng như k m (Zn) hay chì (Pb) Các yếu tố trên đã giúp nó trở
Trang 13thành nam châm đất hiếm đầu tiên có giá trị thương mại vào năm 1967 Cácnam châm từ cứng chứa đất hiếm này có lực kháng từ lớn và nhiệt độ Curiecao để chống lại sự ảnh hưởng của nhiệt độ, đồng thời chúng c ng có khảnăng chống ăn mòn tốt Hướng nghiên cứu trên vật liệu Sm-Co tiếp tục đượcphát triển, năm 1976 giá trị (BH)max cỡ 30MGOe đối với hợp kim Sm2Co17[3] Quá trình xử lí nhiệt thích hợp cùng việc thay thế một phần Co bởi Fe,
Cu và Zr làm cho vật liệu có vi cấu trúc dạng hạt tối ưu Loại nam châm nàyrất phù hợp với ứng dụng có nhiệt độ hoạt động cao
Tình hình thế giới những năm cuối thập kỉ 70 (thế kỉ XX) rất phức tạpđẩy giá thành nguyên liệu lên cao cùng với quá trình xử lí nhiệt phức tạp đãthúc đẩy việc tìm kiếm các vật liệu mới chứa ít hoặc không chứa Coban Hệhợp kim nền Nd-Fe được chú ý do Fe và Nd có trữ lượng trong vỏ Trái Đấtcủa chúng rất lớn Hơn thế nữa là chúng có momen từ nguyên tử cao nhấttrong các nhóm tương ứng
Nam châm đất hiếm Nd-Fe-B được chế tạo thành công vào năm 1984được công bố bởi Croat J J và cộng sự ở công ty General Motors (Mỹ) dựatrên pha ba thành phần Nd2Fe14B theo công nghệ nguội nhanh có Br = 8 kG,
Hc = 14 kOe, (BH)max = 14 MGOe [4] Bằng cách độc lập Sawaga ở công tySumitomo (Nhật Bản) công bố thành công trong việc chế tạo nam châm vĩnhcửu với thành phần hợp thức Nd5Fe77B8 có Br = 12 kG, Hc = 12,6 kOe,(BH)max = 36,2 MGOe [6] bằng công nghệ thiêu kết Thành phần chính trongnam châm Nd-Fe-B là Fe có giá thành rẻ và momen từ lớn, trong khi đó Ndvới một lượng nhỏ đã tạo di hướng từ lớn cho nam châm B làm ổn định cấutrúc tinh thể tứ giác của vật liệu với 2% thể tích ô cơ sở
Đặc biệt vào năm 1988, Coehoorn R và các cộng sự đã phát minh vậtliệu nanocomposite có (BH)max = 12 MGOe Nam châm này chứa nhiều pha
từ, bao gồm hai pha từ mềm Fe3B (73% thể tích), -Fe (12% thể tích) và pha
từ cứng Nd2Fe14B (15% thể tích) [20] Vật liệu nanocomposite có từ độ bãohòa được cải thiện và tính thuận nghịch trong khử từ rất lớn (còn được gọi lànam châm đàn hồi) Với Nd trong nam châm loại này bằng 1/3 nam châm Nd-Fe-B thông thường đã giúp giảm đáng kể giá thành và tăng độ bền về mặt hóahọc của nam châm
Trang 14a) b)
Hình 1.2 Sản lượng hàng năm (a) và dự đoán tăng trưởng (b) của nam châm
thiêu kết Nd-Fe-B.
a) b)
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.
Với những tính năng kể trên, vật liệu gồm ba thành phần Nd-Fe-B đượcđặc biệt chú ý đối với các phòng thí nghiệm trên thế giới Rất nhiều công trìnhnghiên cứu về vi cấu trúc, thành phần hợp chất, công nghệ chế tạo… đượccông bố Ngoài ra, việc thương mại hóa c ng như mở rộng phạm vi ứng dụng
đã phát triển rất nhanh Điều này được thể hiện qua tốc độ tăng trưởng hàngnăm và dự đoán về sản lượng trong những năm tiếp theo (hình 1.2) c ng nhưứng dụng của nó trong công nghiệp so với các loại nam châm khác (hình1.3a) Ngoài việc được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau, namchâm thiêu kết Nd-Fe-B chiếm tỉ phần rất lớn (>34%) trong moto và máy phátđiện Hiện tại, các ứng dụng của nam châm thiêu kết Nd-Fe-B đã được khẳng
Trang 15định 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
Hình 1.4 Vi cấu trúc của nam châm thiêu kết Nd-Fe-B [5].
Vật liệu Nd-Fe-B là vật liệu có cấu trúc đa pha, trong đó pha nền
Nd2Fe14B (pha 2:14:1) quyết định tính chất từ và có tỉ phần lớn nhất với kíchthước vài micromet Ngoài ra còn có pha giàu Nd phân bố ở biên hạt, phagiàu B Nd1+Fe4B4 () Các pha giàu Fe, oxit Nd và lỗ rỗng (pore) đã được tìmthấy trong quá trình chế tạo, phụ thuộc vào thành phần và các tham số [6]
a) b)
Hình 1.5 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) [7].
Trang 16Công thức hóa học chính xác và cấu trúc tinh thể của Nd2Fe14B được tìm
ra một cách độc lập và đồng thời bởi ba nhóm nghiên cứu vào năm 1984(Givord, Herbst và Shoemaker cùng các cộng sự) [7] Nd2Fe14B có cấu trúctinh thể tứ giác xếp chặt với hằng số mạng a = 0,88 nm và c = 1,22 nm, thuộcnhóm không gian P42/mm, khối lượng riêng 7,55 g/cm3
Mỗi ô cơ sở của Nd2Fe14B chứa 4 đơn vị công thức gồm 68 nguyên tử,trong đó có 6 vị trí Fe (kí 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 các nguyên tử Nd và B cùng 4 nguyên tử Fe ở (vị trí Fe c) 6 nguyên tử Fe(vị trí Fe e và Fe k1) kết hợp với 1 nguyên tử B gần nó nhất tạo hình lăng trụđáy tam giác Các lăng trụ này nối với lớp Fe ở bên trên và bên dưới các mặtphẳng cơ sở Cấu trúc này tạo ra độ bất đối xứng rất cao làm cho vật liệu cótính từ cực mạnh (lực kháng từ cao) Pha phi từ đóng vai trò quan trọng trongviệc tạo ra phẩm chất từ tốt trong nam châm thiêu kết Nd-Fe-B nói riêng vàphần lớn các nam châm nói chung [8] Đối với nam châm thiêu kết Nd-Fe-B,pha phi từ giàu Nd được phân bố chủ yếu dọc theo biên của các hạt
Nd2Fe14B Nó ảnh hưởng tương đối lớn đến sự tăng cường lực kháng từ của namchâm Nd-Fe-B khi được xử lí nhiệt, không những thế pha này có vai quantrọng cho sự kết dính trong suốt quá trình thiêu kết Nguyên nhân là do sự hìnhthành pha giàu Nd ở biên hạt (vùng màu trắng trong hình 1.6) giúp cô lập cáchạt từ cứng và ngăn cản tương tác từ giữa chúng Nhờ đó quá trình đảo từ khólan truyền giữa các hạt
Hình 1.6 Ảnh lớp mỏng pha giàu Nd giữa các hạt [9].
Trang 171.2.2 Tính chất từ của nam châm thiêu kết Nd-Fe-B
1.2.2.1 Độ từ hoá
Độ từ hoá của một vật liệu có liên quan mật thiết đến cấu hình điện tửcủa nguyên tử cấu thành vật liệu, cấu hình này đuợc xác định theo các quy tắcluợng tử sau:
+ Nguyên lí Pauli xác định sự không tr ng lặp trạng thái năng lượng củađiện tử Trạng thái của điện tử đuợc đặc trưng bởi các số luợng tử: n, 1, mb, ms.+ Nguyên tắc Aufbau xác định trật tự cao thấp của các mức năng lượng.+ Quy tắc Hund xác định trật tự sắp xếp của các điện tử trên các mứcnăng lượng và quyết định giá trị mômen từ của toàn bộ nguyên tử Quy tắcHund thứ nhất xác định rằng trạng thái cơ bản ứng với tổng spin lớn nhất saocho không vi phạm nguyên lí Pauli Quy tắc Hund thứ hai xác định rằng trạngthái cơ bản sau khi thoả mãn nguyên lí Pauli và quy tắc Hund thứ nhất phải cótổng mômen quỹ đạo lớn nhất Quy tắc Hund thứ ba xác định giá trị mômentổng cộng J của nguyên tử
Mômen từ của nguyên tử tự do được xác định theo biểu thức:
có thể xem nguyên tử Nd nằm trong hợp kim như nguyên tử Nd tự do có các
số lượng tử s = 3/2; số lượng tử xung lượng quỹ đạo L = 6 và số lượng tử
Trang 18xung lượng tổng cộng J = 9/2 Áp dụng công thức 2.2 ta đuợc g = 8/11 và do vậy mômen từ của nguyên tử Nd là 3,62 B.
Không giống như Nd, các nguyên tử Fe có lớp điện tử lẻ cặp 3d ở phíangoài tham gia vào các mối liên kết và tạo v ng Trong kim loại chuyển tiếpvùng có spin và vùng có spin có thể bị dịch chuyển tương đối so với nhautrong từ trường ngoài Thậm chí có thể bị dịch chuyển một cách tự phát nếuthoả mãn tiêu chí Stoner Tiêu chí này cho rằng sự dịch chuyển tự phát xảy ratrong kim loại chuyển tiếp khi tích giữa tích phân trao đổi của điện tử Jex vớimật độ trạng thái điện tử tại mức Fermi trong trạng thái thuận từ N(EF) lớnhơn 1 Có ba nguyên tố thoả mãn tiêu chí này đó là Fe, Co và Ni Tương tự ởtrên ta s tính được mômen từ nguyên tử của Fe có giá trị 2,22 B
Trong hợp kim Nd2Fe14B tồn tại hai tương tác chính: tương tác trao đổi
và tương tác của trường tinh thể Tương tác trao đổi xác định kiểu trật tự từ vàkhoảng nhiệt độ tồn tại các trật tự từ Tương tác của trường tinh thể phá vỡtính bất biến của từ độ theo phép quay quanh trục tinh thể làm xuất hiện tính
dị hướng từ tinh thể Do cấu hình của lớp điện tử 3d và 4f trình bày ở trên nênđối với nguyên tử Nd, tương tác spin - quỹ đạo lớn hơn nhiều so với tương táccủa trường tinh thể lên điện tử 4f Do vậy tính chất từ của Nd trong hợp kimđược quyết định bởi mômen từ định xứ của chúng và quyết định bởi các tínhchất của ion Nd trong trạng thái cơ bản Ngoài ra còn có thể thấy ngay rằngtương tác giữa các ion Nd là có thể bỏ qua
Đối với Fe, tương tác giữa điện tử 3d và trường tinh thể mạnh hơn nhiều
so với tương tác spin - quỹ đạo Tác động của trường tinh thể mở rộng độ suybiến của các mức tương ứng với số xung lượng quỹ đạo L dẫn đến việc “đóngbăng” mômen từ quỹ đạo L = 0 [10]
Tương tác R-T giữa các ion Nd và Fe xảy ra theo cơ chế gián tiếp với sựtham gia của điện tử 5d Tương tác này bao gồm liên kết trao đổi kiểu trongnguyên tử (intra-atomic) xảy ra giữa các điện tử 4f và 5d và tương tác kiểugiữa các nguyên tử (inter-atomic) xảy ra giữa các điện tử 5d và 3d Tương tác4f-5d là tương tác sắt từ, trong khi tương tác 5d-3d lại là tương tác phản sắt
từ Như vậy liên kết giữa các spin 4f và các spin 3d bao giờ c ng là phản sắt
Trang 19từ [10] Theo quy tắc Hund thứ ba, mômen từ tổng cộng của nguyên tử Nd(thuộc nhóm đất hiếm nhẹ) JNd = LNd - SNd, do vậy JNd hướng song song c ngchiều với SFe, hoặc nói cách khác là mô men từ của ion Fe trong hợp kim
Nd2Fe14B Tính chất hợp hướng này là một nguyên nhân chủ yếu làm tăngcường vai trò của Nd trong việc c ng với Fe, một kim loại truyền thống rẻtiền, tạo ra vật liệu từ cứng có chất lượng từ tính cao Giá trị từ độ bão hoàcủa vật liệu này đạt được ở nhiệt độ phòng là Js = 1,61 T
Để tính nhiệt độ Curie, ta d ng lại giả thuyết về vai trò của tương tác
R-T và R-T-R-T, bỏ qua tương tác R-R như đã xét ở trên R-Theo lí thuyết trường trungbình, tác động của nhiệt độ được so sánh với tác động của trường trung bìnhtác dụng lên nguyên tử với giả thuyết rằng trường trung bình này chỉ phụthuộc số hạt lân cận gần nhất, mômen của chúng và các hằng số tương tác Ápdụng lí thuyết này, giá trị Tc ph hợp một cách định tính cho hợp kim Nd-Fe-
B Trên thực tế giá trị Tc đối với vật liệu này ở mức độ vừa phải bằng 312°C,
đủ để sử dụng chúng trong các ứng dụng thông thường
ta thường d ng khái niệm trường dị hướng tinh thể có giá trị tương đương vớimột cường độ từ trường cần để quay mômen từ (vốn hướng theo trục dễ) vềhướng trục khó từ hoá
Trang 20Việc chế tạo vật liệu từ chứa đất hiếm và kim loại chuyển tiếp không thể
d ng các nguyên tố đất hiếm nặng (từ Gd đến Lu) do mômen từ của chúnghướng ngược với mômen từ của nguyên tố kim loại chuyển tiếp khiến giảm mômen từ hoá tổng cộng Hai nguyên tố La và Eu không có mômen từ (S, L,
J bằng 0 đối với La và s = 3, L = 3, và L - s = 0 đối với Eu) Nguyên tố Pm rấthiếm và là nguyên tố phóng xạ nên ít được sử dụng Nguyên tố Ce về nguyên tắc có thể sử dụng được nhưng nó s chỉ có một điện tử liên kết yếu ở lớp 4f trong trường hợp có hoá trị 3 Do vậy trong hợp kim với kim loại chuyển tiếp
Ce có hoá trị 4 nên J c ng bằng 0 Cuối c ng chỉ còn lại Nd, Pr, và Sm là 3nguyên tố đất hiếm sử dụng để chế tạo nam châm vĩnh cửu có lực kháng từlớn Tuy vậy, khi tính năng lượng trường dị hướng như hình bày ở trên s thấy rằng nếu c ng với một cấu trúc tinh thể, để có được hệ số dị hướng K1 dương thì có thể d ng riêng 3 nguyên tố này hoặc d ng chung Pr với Nd chứ không thể d ng chung Sm với Pr hoặc Sm với Nd [10]
Từ những phân tích vừa trình bày ở trên c ng với một số suy luận khác
ta có thể đánh giá vai trò quan trọng của nguyên tố Nd trong việc chế tạo vậtliệu từ tính chất lượng cao
Tính chất từ của nam châm bao gồm hai loại: tính chất từ nội tại và tínhchất từ ngoại lai Tính chất từ nội tại bao gồm từ độ tự phát, nhiệt độ Curie và
dị hướng từ… được quyết dịnh bởi momen từ của các nguyên tử tương tác giữachúng trong mạng tinh thể Tính chất từ ngoại lai là các tính chất liên quan đếnđặc 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,
độ đồng 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 hướngsong song của hai phân mạng Nd và Fe trong pha Nd2Fe14B đã tạo ra từ độbão hòa lớn ở nhiệt độ phòng, đạt tới 16 kG Đây là giá trị từ độ lớn nhấttrong các liên kim loại đất hiếm sử dụng làm nam châm vĩnh cửu [14] Đồngthời, nam châm này có khả năng cho từ dư lên tới 14 kG Tuy nhiên, do tươngtác trao đổi sắt từ Fe-Fe tương đối yếu nên nhiệt độ Curie của hợp chất
Nd Fe B là khá thấp, T ~ 585 K Nhược điểm khác nữa của nam châm này
Trang 21là tính ôxy hóa cao (do hoạt tính của Nd), giá thành đắt (do chứa nhiều đấthiếm) và sự suy giảm nhanh của lực kháng từ theo nhiệt độ.
1.2.2.4 Cơ chế đảo từ và lực kháng từ trong nam châm Nd-Fe-B
Lực kháng từ của nam châm thiêu kết Nd-Fe-B thể hiện khả năng chốnglại sự đảo từ độ sau khi bị từ hóa bão hòa Nguyên nhân sinh ra lực kháng từchính là dị hướng từ tinh thể của vật liệu sau khi bị từ hóa bão hòa Nguồngốc sâu xa của lực kháng từ chính là dị hướng từ Tuy nhiên, cần phải lưu ýrằng lực kháng từ không phải là một đại lượng miêu tả tính chất từ nội tại(intrinsic magnetic property) Điều đó có nghĩa là lực kháng từ không chỉ phụthuộc vào thành phần hóa học, nhiệt độ, dị hướng từ mà còn phụ thuộc vào vicấu trúc của vật liệu Mối quan hệ giữa vi cấu trúc và những tính chất từ riêng
để tồn tại lực kháng từ trong vật liệu thông thường là khá phức tạp Tìm hiểu
cơ chế lực kháng từ và các yếu tố ảnh hưởng lên nó là cần thiết giúp ta có thểđịnh hướng các biện pháp công nghệ để thu được giá trị kháng từ như mongmuốn 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 lựckháng từ của 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 dịchchuyển và việc tạo mầm đômen đảo là khó khăn
a) Cơ chế đảo từ
Ở trạng thái khử từ nhiệt, nam châm tồn tại các đômen từ, các đômennày được ngăn cách bởi vách đômen Việc hình thành các đômen từ được giảithích 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 s dịch chuyển theo xuhướng 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 đômenngười ta đưa ra hai cơ chế chính tạo lực kháng từ: cơ chế mầm đảo từ (namchâm mầm đảo từ - Nucleation) và cơ chế hãm dịch chuyển vách đômen hay
cơ chế ghim vách đômen (nam châm loại ghim vách đômen-Pinning) [11].Hai đại lượng cần để mô tả các cơ chế đảo từ này đó là trường tạo mầm HN,được định nghĩa là giá trị của từ trường (ngược với hướng từ hóa ban đầu) mà
Trang 22tại đó các mầm đảo từ bắt đầu xuất hiện (hình 1.7) và HP là từ trường đủ đểlàm dịch chuyển vách đômen Lưu ý rằng khi một mầm đảo từ được hìnhthành 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.
