Tìm hiểu các tính chất và một số ứng dụng của vật liệu từ cứng nd fe b

Đặc biệt trong số đó là nhóm vật liệu từ cứng nền Fe-B hoặc các hợp kim có cấu trúc tơng tự có nhiều tính chất từ lý thú và rấtnhiều ứng dụng rộng rãi.. Vì vậy chúng tacần tìm hiểu vấn đ

Lời cảm ơn

Đầu tiên cho em bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến Ban chủ nhiệm khoa Vật lý và các thầy cô giáo trong khoa đã giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho em học tập và hoàn thành khoá luận Đặc biệt, em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới thầy giáo TS Lu Tiến Hng, ngời đã trực tiếp hớng dẫn, hết lòng quan tâm, tận tình giúp đỡ chỉ bảo em trong suốt thời gian em làm khoá luận

Nhân dịp này em xin gửi lời cảm ơn các ban sinh viên lớp 46B-Lý nói riêng và các bạn sinh viên khoa Vật Lý nói chung đã góp ý kiến để em hoàn thành tốt khoá luận này

Mục lục

Trang

Lời cảm ơn 1

Mở đầu 4

Chơng 1 Giới thiệu về từ học và vật liệu từ 6

I Các khái niệm cơ bản 6

1.1 Từ học và hiện tợng từ 6

1.2 Vật liệu từ và nguồn gốc từ tính của vật liệu 6

1.3 Các đại lợng và đơn vị thờng dùng khi nghiên cứu về vật liệu từ 7

II Phân loại vật liệu từ và các nhóm vật liệu từ tơng ứng 9 2.1 Phân loại vật liệu từ theo hệ số từ hoá  10

I Lịch sử quá trình nghiên cứu vật liệu từ Nd-Fe-B 16

II Cấu trúc tinh thể của Nd-Fe-B và các hợp kim tơng tự 19III Các tính chất từ điển hình của Nd-Fe-B và các hợp kim tơng tự 21 3.1 Sự phụ thuộc của từ độ vào nhiệt độ 21 3.1.1 Sự phụ thuộc của từ độ vào nhiệt độ 21 3.1.2 Tơng tác trao đổi giữa các nguyên tử trong tinh thể 23 3.1.3 Cơ chế đảo từ và lực kháng từ 26

IV Một số phơng pháp tạo mẫu thờng dùng với Nd-Fe-B 30

4.1 Tạo mẫu hợp kim bằng phơng pháp đúc và phun băng 30

2.3 Tổ chức dữ liệu của ổ đĩa cứng 39

Trong số các hiện tợng từ và vật liệu từ thì hiện tợng sắt từ và vật liệu sắt từ

có nhiều ứng dụng nhất Đặc biệt trong số đó là nhóm vật liệu từ cứng nền Fe-B hoặc các hợp kim có cấu trúc tơng tự có nhiều tính chất từ lý thú và rấtnhiều ứng dụng rộng rãi Vì vậy, cấu trúc và các tính chất từ của nhóm vật liệunày đã và đang đợc nghiên cứu nhiều nhất Khi thay thế một phần hoặc thêm vàohợp kim này một số những nguyên tố khác, các nhà khoa học đã thu đợc nhiềutính chất từ cứng rất đáng quan tâm nh lực kháng từ HC, tích năng lợng từ cực đại(BH)max, cảm ứng từ d Br đều tăng cao

Nd-Nh đã nói ở trên, vật liệu từ nói chung và vật liệu từ cứng nói riêng có khảnăng ứng dụng rất cao trong đời sống và khoa học, công nghệ Vì vậy chúng tacần tìm hiểu vấn đề này cũng nh khả năng thơng mại hóa các sản phẩm là kết quảnghiên cứu của ngành khoa học vật liệu để có thể phát triển ngành khoa học nàytrong nền kinh tế thị trờng hiện nay.

Từ những lý do nêu trên mà chúng tôi chọn đề tài nghiên cứu của khóa

luận tốt nghiệp là: “ Tìm hiểu các tính chất và một số ứng dụng của vật liệu

từ cứng Nd-Fe-B ”

Mục đích của khóa luận là nghiên cứu tìm hiểu các đặc điểm cấu trúc tinhthể, các tính chất từ cơ bản và số ứng dụng quan trọng của vật liệu từ cứng nềnNd-Fe-B

Cấu trúc của khóa luận ngoài phần mở đầu và phần kết luận, nội dung đợctrình bày trong 3 chơng

Chơng 1: Giới thiệu về từ học và vật liệu từChơng 2: Vật liệu từ cứng Nd-Fe-B

Chơng 3: ứng dụng của vật liệu từ cứng Nd-Fe-BMặc dù đã có nhiều cố gắng với mong muốn có đợc một khóa luận tốtnghiệp đạt chất lợng tốt song do trình độ và thời gian hạn chế cũng nh lần đầutiên tiếp cận với công việc nghiên cứu khoa học do đó chắc chắn không tránhkhỏi những thiếu sót Rất mong sẽ nhận đợc những ý kiến đóng góp của các thầygiáo, cô giáo cùng các bạn độc giả để khóa luận đạt chất lợng tốt hơn

I Các khái niệm cơ bản

1.1 Từ học và hiện tợng từ

Từ học là một ngành trong vật lý học với chức năng nghiên cứu các tínhchất từ của vật liệu nhằm giải thích các hiện tợng từ xảy ra trong đời sống và tìm

ra các vật liệu từ mới phục vụ đời sống, khoa học và công nghệ

Hiện tợng từ là hiện tợng mà thông qua nó các vật liệu tác động lẫn nhauthông qua lực hút và lực đẩy hoặc gây một ảnh hởng nào đó lên các vật nhiễm từkhác Lực tơng tác giữa hai cực từ có độ lớn m1, m2 tuân theo biểu thức:

r

r r

m m F

4  (1.1)

1.2 Vật liệu từ và nguồn gốc từ tính của vật liệu

Vật liệu từ là những vật liệu bị từ hóa nhiều hay ít khi chúng đợc đặt trong

từ trờng ngoài Từ tính của các vật liệu từ khác nhau tùy thuộc vào cấu trúc từcủa chúng

Nguồn gốc của từ tính

trong vật liệu là sự chuyển động

của các điện tích trong vật liệu

Đây là cách hiểu đơn giản nhất

về nguồn gốc từ tính trong vật

liệu từ Ta xét nguyên tử có một

điện tử chuyển động quanh hạt

nhân theo mô hình Bohr Điện tử

có vận tốc v, chuyển động trên

quỹ đạo bán kính a (hình 1.1)

Lúc đó, mô men từ sinh ra do chuyển động của electron là

eva a

a

ev IS m

2

1 2

Hình 1.1. Mômen từ của nguyên tử một điện

tử theo mẫu Bohr [4]

B e e

n m

e n m

n e

2 2

(trong hệ đơn vị CGS) gọi là Magneton Bohr và đợc dùng làm đơn vị của mô men

từ nguyên tử Đây là cách môt cách tính toán về nguồn gốc của từ trờng trong vậtliệu đó là chuyển động quỹ đạo của điện tử Tuy nhiên, vật lý hiện đại chỉ rarằng, còn có đóng góp của spin của electron vào từ tính của vật chất [2]

1.3 Các đại lợng và đơn vị thờng dùng khi nghiên cứu về vật liệu từ

Để thuận tiện hơn cho toàn bộ quá trình nghiên cứu, và trình bày của tàiliệu này chúng ta tìm hiểu các đại lợng và đơn vị thờng dùng đối với vật liệu từ

Cờng độ từ trờng ( 

H ): Chỉ độ mạnh yếu của từ trờng, không phụ thuộcvào môi trờng xung quanh Cờng độ từ trờng có đơn vị là A/m (trong hệ SI) hoặc

là Oe (trong hệ CGS)

Lực kháng từ (HC): Là giá trị của cờng độ từ trờng ngoài cho phép triệt tiêu

từ độ (hoặc cờng độ từ trờng) của mẫu hoặc vật từ Thực tế, lực kháng từ chỉ tồntại ở các vật liệu có trật tự từ (sắt từ, feri từ… Thực tế) Thông thờng, lực kháng từ đợcxác định từ đờng cong từ trễ của vật từ (hình 1.2)

Lực kháng từ phụ thuộc vào từ độ (HC =

HC(M)): Là giá trị của lực kháng từ cho phép

triệt tiêu độ từ hóa của mẫu Giá trị này không

phụ thuộc hình dạng của vật từ Thông thờng nói

đến khái niệm lực kháng từ là nói đến khái niệm

này [6]

Lực kháng từ phụ thuộc vào cảm ứng từ

(HC=HC(B)): Là giá trị của lực kháng từ cho

phép triệt tiêu cảm ứng từ vủa vật từ Giá trị này

phụ thuộc vào hình dạng của vật từ (do tính dị hớng của vật từ) Đối với các vậtliệu có HC nhỏ, sự sai khác của hai đại lợng này không đáng kể nên đôi khi haynhầm lẫn với nhau Sự sai khác chỉ đáng kể đối với vật liệu từ cứng [6]

Cơ chế tạo lực kháng từ liên quan đến cơ chế từ hóa và đảo từ hay nói cáchkhác là liên quan đến sự thay đổi của cấu trúc từ và bị ảnh hởng mạnh bởi cấutrúc hạt của vật liệu Yếu tố chi phối mạnh nhất đến lực kháng từ là dị hớng từ

Hình 1.2. Xác định lực kháng

từ bằng đờng từ trễ [6].

tinh thể và tùy từng loại vật liệu mà lực kháng có thể phụ thuộc khác nhau vàoyếu tố này.

thẩm từ) của chân không Đơn vị của B trong hệ SI là T, trong hệ CGS là G.

Mô men từ: Là thớc đo độ mạnh yếu của nguồn từ, là độ lớn của véc tơ ỡng cực từ, có đơn vị là Nm2

l-Từ thông: Chỉ số đờng sức qua một tiết diện của vật, đợc tính bằng tích vôhớng của véc tơ cảm ứng từ và véc tơ diện tích S

Độ từ hóa: Là tổng mô men từ có trong một đơn vị thể tích Độ từ hóa theo

định nghĩa này có cùng thứ nguyên với cờn độ từ trờng 

H Đôi khi ngời ta còndùng khái niệm độ từ hóa là tổng mô men từ có trong một đơn vị khối lợng

Độ cảm từ: Nói nên khả năng phản ứng của vật liệu từ khi có từ trờngngoài tác dụng lên vật kí hiệu là  Ta có mối liên hệ giữa B, H và M nh sau

B = μ0(M +H), M =  H (1.6)

μ=1 + gọi là độ thẩm từ hiệu dụng của vật liệu từ và thờng đợc gọi tắt là

độ thẩm từ Độ thẩm từ và độ cảm từ có cùng ý nghĩa Bảng 1.1 cho ta biết đơn vịcủa một số đại lợng cơ bản trong hệ SI và hệ CGS

Bảng 1.1. Đơn vị của một số đại lợng cơ bản trong hệ SI và hệ CGS [4].

II Phân loại vật liệu từ và các nhóm vật liệu từ tơng ứng

Khi nghiên cứu vật liệu từ chúng ta có nhiều tiêu chuẩn để phân loại vậtliệu từ sau đây ta tìm hiểu hai tiêu chuẩn để phân loại vật liệu từ thông dụng

2.1 Phân loại theo độ cảm từ 

2.1.1 Vật liệu nghịch từ

Là vật liệu có độ cảm từ tơng đối  

 có giá trị âm và có độ lớn cỡ 10-5 (rấtyếu) Nguồn gốc của tính nghịch từ là chuyển động quỹ đạo của electron quanhhạt nhân do cảm ứng với từ trờng ngoài Theo định luật Lenz, dòng cảm ứng sinh

ra từ trờng chống lại sự biến đổi của từ trờng ngoài (hình 1.3) Với định nghĩatrên thì vật liệu siêu dẫn còn đợc gọi là vật liệu nghịch từ lí tởng:

H > 0)các mômen từ nguyên tử định hớng theo từ trờng làm I tăng dần theo 

H Vậtliệu này có  

 tỷ lệ với 1/T Các điện tử dẫn trong các kim loại tạo thành vùng

năng lợng cũng biểu hiện tính thuận từ gọi là thuận từ Pauli Khi đó, tính thuận từ

có đợc bởi vì sự kích thích các electron có spin âm lên vùng có spin dơng và  



không phụ thuộc T (hình 1.4)

H

I +

-H

Hình 1.4. Sự sắp xếp các mômen từ nguyên tử (a), đờng cong từ hóa(b) và sự phụ thuộc vào nhiệt độ của nghịch đảo độ cảm từ của vật liệu thuận từ (c) [2].

2.1.3 Vật liệu phản sắt từ

Là vật liệu có tính từ yếu nh vật liệu thuận từ nhng nó khác vật liệu thuận

từ ở sự phụ thuộc vào nhiệt độ của 1/χ có một hõm tại nhiệt độ TN (nhiệt độ

Néel) Khi T < TN các mômen từ có trật tự phản song (do tơng tác phản sắt từ).

Khi T > TN sự sắp xếp các spin lại trở nên hỗn loạn nh vật liệu thuận từ (hình1.5)

Hình 1.5 Sự sắp xếp các mômen từ nguyên tử khi T < T N (a) v à sự phụ thuộc nhiệt độ của nghịch đảo độ cảm từ của vật liệu phản sắt từ (b) [2].

2.1.4 Vật liệu Ferit từ

Với vật liệu feri từ hai vị trí mạng A và B trong tinh thể có các spin có độlớn khác nhau và sắp xếp phản song với nhau dẫn đến từ độ tổng cộng kháckhông ngay cả khi từ trơng ngoài bằng không và đợc gọi là từ độ tự phát Vật liệunày tồn tại nhiệt độ chuyển pha TC gọi là nhiệt độ Curie [2] Tại T > TC trật tự từ

bị phá vỡ và vật liệu trở thành thuận từ (hình1.6)

Hình 1.6 Sự sắp xếp các mômen từ nguyên tử khi T < T C (a), sự phụ thuộc của

từ độ bão hòa và nghịch đảo độ cảm từ vào nhiệt độ của vật liệu feri từ (b) [2] 2.1.5 Vật liệu sắt từ

Là vật liệu có tơng tác giữa các spin dơng và lớn nên các spin sắp xếp songsong với nhau Khi T tăng, do dao động nhiệt từ độ giảm dần và biến mất ở TC.Khi T > TC thì 1/χ tuân theo định luật tuyến tính với T (định luật Curie- Weiss)

(hình 1.7) Điều này đợc giải thích bởi cấu trúc đô men Cấu trúc này làm cho ờng cong từ hóa của vật liệu sắt từ có hiện tợng trễ [2]

đ-2.1.6 Vật liệu từ giả bền

Là vật liệu có sự chuyển từ trạng thái phản sắt sang trạng thái sắt từ khi từtrờng ngoài đủ lớn (hình 1.8)

2.1.7 Vật liệu sắt từ kí sinh

Là sắt từ yếu kèm với phản sắt từ Từ độ giảm về không ở nhiệt độ Néel, ở

đó sự sắp xếp phản sắt từ không còn nữa Hai giả thiết để giải thích hiện tợng này

đợc vẽ trên (hình 1.9)

A B

Hình 1.9. Sự sắp xếp của mômen từ nguyên tử (1), sự phụ thuộc nhiệt độ của từ

độ bão hòa và nghịch đảo độ cảm từ của vật liệu sắt từ kí sinh (2) [2].

Tóm lại, khi phân loại vật liệu từ theo độ lớn của hệ số từ hoá  thì ta thu

đợc các nhóm vật liệu từ nh bảng 1.2

Bảng 1.2 Phân loại vật liệu từ theo độ lớn của hệ số từ hóa [2].

Giá trị của  Tên nhóm vật liệu từ



1

ISa

b

(106)

Thuận từPhản sắt từ

Từ giả bềnSắt từ lý sinhFerit từSắt từ

2.2 Phân loại theo độ lớn của lực kháng từ

2.2.1 Vật liệu từ mềm

Vật liệu từ mềm hay vật liệu sắt từ mềm là vật liệu sắt từ, “mềm” về phơngdiện từ hóa, có nghĩa là dễ từ hóa và dễ khử từ Vật liệu từ mềm thờng đợc dùnglàm vật liệu hoạt động trong từ trờng ngoài, nh lõi biến thế, lõi nam châm điện,các lõi dẫn từ… Thực tế Các thông số đặc trng cho vật liệu từ mềm gồm:

Lực kháng từ là thông số quan trọng nói lên tính chất từ mềm của vật liệu

từ Đó là độ lớn của từ trờng ngoài ngợc cần thiết để triệt tiêu từ độ của mẫu Vớivật liệu từ mềm thì HC nằm trong khoảng 0,01(Oe) đến 100(Oe).

Độ từ thẩm μ của vật liệu từ mềm phải càng lớn càng tốt vì ta biết quan hệ

B = μμ0H nên khi μ lớn thì ta có thể tạo một cảm ứng từ lớn với một từ trờngngoài không cần lớn

Từ độ bão hòa hay cảm ứng từ bão hòa (B S) của vật liệu từ mềm cũng ờng rất lớn Ta biết quan hệ BS =μ μ0(IS+HS) nên mặc dù IS và HS nhỏ nhng BS th-

th-ờng lớn Nh vậy, một vật liệu từ mềm tốt sẽ có HC nhỏ, còn μ, IS, BS lớn và tổnhao từ trễ càng nhỏ càng tốt (tổn hao từ trễ chính là diện tích hình giới hạn bởi đ-ờng cong từ trễ)

Giá trị  tăng dần

Cảm ứng từ dư (Br hay Jr) l cảm ứng từ còn dà ư sau khi ngắt từ trườngngoài đại lợng này của vật liệu từ cứng thờng có giá trị nhỏ hơn của vật liệu từmềm.

Nhiệt độ Curie là nhiệt độ mà tại đó vật bị mất từ tính, trở thành chất thuận

từ Một số vật liệu từ cứng đợc ứng dụng trong các nam châm hoạt động ở nhiệt

độ cao nên nó đòi hỏi nhiệt độ Curie rất cao Hiện nay nhóm vật liệu nhóm vậtliệu từ cứng có nhiệt độ cao nhất là nhóm các vật liệu trên nền SmCo có nhiệt độCurie từ 5000C đến 10000C

Tóm lại, với việc căn cứ vào độ lớn của

lực kháng từ thì ta phân nhóm vật liệu sắt từ

thành 2 nhóm nhỏ là vật liêu từ cứng và vật

liệu từ mềm Đờng cong từ trễ của hai nhóm

vật liệu từ này đợc vẽ trên hình 1.10

Hình 1.10 Đờng cong từ trễ

của vật liệu từ cứng và vật liệu

từ mềm [5].

từ này ta xác định đợc các tham số nh lực kháng từ HC, cảm ứng từ d Br và tíchnăng lợng cực đại (BH)max Lực kháng từ HC đặc trng cho khả năng phản ứng củavật liệu đối với trờng khử từ sau khi đợc từ hóa đến bão hòa Dựa vào giá trị của

Hc ngời ta phân loại vật liệu từ thành vật liệu từ mềm và vật liệu từ cứng Thôngthờng vật liệu có HC > 1kOe (80 kA/m) đợc xem thuộc loại từ cứng [5] Cảm ứng

từ d Br xác định mật độ thông lợng còn lại trong nam châm sau khi nó đợc từ hóa

đến bão hòa, và do vậy nó đặc trng cho sức mạnh của nam châm Tích năng lợngcực đại (BH)max đặc trng cho khả năng tàng trữ năng lợng từ đợc xem là một tham

số đánh giá phẩm chất vật liệu từ cứng Trong phần dới đây chúng ta sẽ tìm hiểuquá trình phát triển các đại lợng này của vật liệu từ cứng

Từ xa xa, ngời Trung Quốc cổ đã biết đến tính chất từ của đá tự nhiên, màsau này thành phần hoá học đợc xác định là oxit sắt tự nhiên Fe2O3 và -Fe3O4với HC cỡ vài chục Oe, Br khoảng 3-4 kG Lúc đó, họ cho rằng tính chất từ của đánam châm mang tính thần bí do đó chỉ sử dụng trong các dịp cúng tế, lễ lạc Mãicho đến sau này chúng mới đợc dùng làm la bàn chỉ hớng và sử dụng trong các

hành trình biển vào thế kỉ XII Năm 1743, Daniel Bernoulli là ngời đầu tiên đa ra

ý tởng tạo ra các nam châm có hình móng ngựa mà vào thời trung cổ đã trở thànhbiểu tợng của ngành khoa học kỹ thuật [3]

Tiến bộ đầu tiên trong nâng cao phẩm chất từ đợc đánh dấu bằng việc phát

hiện ra hợp kim Alnico bởi Mishima (Nhật Bản) vào năm 1932 Hợp kim này đợc

chế tạo bởi quá trình hợp kim hóa ba nguyên tố Ni, Co và Fe có pha một lợngnhỏ Al và Cu, lực kháng từ HC đạt khoảng 6,2 kOe, tuy nhiên, do từ độ bão hòanhỏ so với thép từ cứng nên (BH)max chỉ đạt 1 MGOe [3] Vào thập niên 30 củathế kỷ XX nam châm loại này đợc sử dụng rộng rãi trong môtơ và loa âm thanh.Thành phần hợp kim và công nghệ chế tạo liên tục đợc phát triển, đến năm 1956hợp kim Alnico9 với tính dị hớng lớn do vi cấu trúc dạng cột (dị hớng dạng) có

(BH)max đạt khoảng 10 MGOe Hiện naynam châm loại này vẫn còn đợc sử dụng

do chúng có nhiệt độ Curie cao (8500C) Nhợc điểm của vật liệu này là lực kháng

từ bé (HC ~ 2 kOe) [16]

Những bớc tiến tiếp theo đã đạt đợc vào đầu thập niên 50, đó là việc khám

phá ra vật liệu ferit cứng tổng hợp ở công ty Philip (Hà Lan) Vật liệu ferit có cấu

trúc lục giác với hai hợp chất BaO.6Fe2O3 và SrO.6Fe2O3 Tuy cảm ứng từ d thấp(Br ~ 4,2 kG), tích năng lợng từ cực đại không cao ((BH)max ~ 4 MGOe) [12] nhnglực kháng từ của chúng có giá trị lớn hơn nhiều so với các vật liệu trớc đó (HC ~ 3kOe) Tuy nhiên loại nam châm này có u điểm là giá thành rất rẻ, hiệu quả vàbền Do vậy, ngày nay chúng vẫn là vật liệu đợc sử dụng nhiều nhất, chiếmkhoảng 50% tổng giá trị nam châm vĩnh cửu của toàn thế giới

Năm 1966 đã phát hiện ra tính chất từ của vật liệu YCo5, đây là vật liệu từcứng đầu tiên dựa trên nguyên tố 4f và nguyên tố 3d Hợp kim sắt từ chứa cácnguyên tố 3d và 4f hứa hẹn cho nhiều tính chất từ quý Điều hứa hẹn đó đợccủng cố bởi sự phát hiện ra SmCo5 vào năm 1967, nó nhanh chóng trở thành namchâm đất hiếm đầu tiên có giá trị thơng mại Nam châm này đợc chế tạo ở dạngnam châm kết dính và có (BH)max ~ 5 MGOe Năm 1969 nam châm SmCo5 loạithiêu kết có (BH)max ~ 20 MGOe đã đợc chế tạo

Hớng nghiên cứu nói trên tiếp tục đợc phát triển và đến năm 1976 (BH)max

đã đạt đến giá trị 30 MGOe đối với vật liệu Sm2Co17 Nói chung, loại vật liệu này

có thành phần là Sm2(Co, Fe, Cu, Zr)17 và các sản phẩm nam châm có phẩm chấttốt nếu có vi cấu trúc thích hợp Chúng đợc chế tạo theo công nghệ luyện kim bột

và xử lý ở nhiệt độ khoảng 11000C

Sự bất ổn của tình hình thế giới vào những năm cuối thập kỷ 70 đã gâybiến động mạnh cho nguồn cung cấp và giá cả đối với Coban, một vật liệu thôchiến lợc Do đó, việc tìm kiếm vật liệu từ mới chứa ít hoặc không chứa Coban đ-

ợc cấp thiết đặt ra Nd và Fe đợc chú ý do trữ lợng của chúng trong vỏ trái đấtnhiều hơn so với các nguyên tố khác và quan trọng hơn là mô men từ nguyên tửcủa các nguyên tố này là lớn nhất trong các nhóm tơng ứng (mômen từ nguyên tửcủa Nd là 3,5B và Fe là 5,9B) [2] Nhiều hớng nghiên cứu vật liệu cho namchâm Nd-Fe đã đợc đa ra Một trong các hớng đó là tìm kiếm một pha ba thànhphần mới có cấu trúc tinh thể thích hợp, một hớng khác là tìm cách bền vững hóapha giả bền bằng phơng pháp nguội nhanh Sự tồn tại hợp chất giàu sắt trong giản

đồ pha ba thành phần Nd-Fe-B đã đợc Kuzma và cộng sự lu ý vào đầu năm 1979,

nhng mãi đến năm 1983, Sawaga ở công ty Sumitomo (Nhật Bản) mới công bốthành công trong việc chế tạo nam châm vĩnh cửu với thành phần hợp thứcNd15Fe77B8 có Br = 12 kG, HC = 12,6 kOe, (BH)max = 36,2 MGOe bằng phơngpháp luyện kim bột tơng tự nh phơng pháp đã sử dụng chế tạo nam châm Sm-Co[16] Pha từ chính là pha Nd2Fe14B có cấu trúc tứ giác Cùng trong thời gian đó,một cách độc lập, Croat và cộng sự ở công ty General Motors (Mỹ) cũng đã chếtạo đợc nam châm vĩnh cửu dựa trên pha ba thành phần Nd2Fe14B theo công nghệnguội nhanh có Br = 8 kG, HC = 14 kOe, (BH)max = 14 MGOe [3] Đặc biệt, năm

1988 Coehoorn và các cộng sự ở Phòng thí nghiệm Philip Research đã công bố

phát minh loại vật liệu mới với Br = 10 MGOe, HC = 3,5 kOe, (BH)max = 12MGOe, nam châm này chứa nhiều pha, bao gồm hai pha từ mềm Fe3B (73% thểtích), -Fe (12% thể tích) và pha từ cứng Nd2Fe14B (15% thể tích) [3] Lợng Ndtrong nam châm loại này bằng khoảng 1/3 trong nam châm Nd2Fe14B thông th-ờng, điều này làm giảm đáng kể giá thành và làm tăng độ bền về mặt hoá học củanam châm

Sau các phát hiện đó vật liệu loại Nd-Fe-B đợc đặc biệt chú ý đối với cácphòng thí nghiệm trên thế giới Rất nhiều công trình nghiên cứu về vi cấu trúc,thành phần hợp chất, công nghệ chế tạo v.v đã đợc công bố Việc thơng mại hóa

và mở rộng phạm vi ứng dụng cũng đã có những bớc tiến vợt bậc Điều này đợcminh chứng qua tốc độ tăng trởng hàng năm về sản lợng (10 đến 20 %) cũng nhgiá trị sản phẩm ngày càng cao Hình 2.1.a là tỷ phần các loại nam châm vĩnhcửu năm 2004 [11], hình 2.1.b là đồ thị mô tả sự phát triển của nam châm vĩnhcửu theo (BH)max trong thế kỷ XX

Ferit

AlNiCo SmCo Nd-Fe-B

Hình 2.1 Tỷ phần các loại nam châm vĩnh cửu năm 2004 (a) [11] và đồ thị mô tả sự phát triển của nam châm vĩnh cửu trong thế kỷ XX (b) [3].

Có thể thấy quy luật rằng cứ sau mỗi 20 năm (BH)max tăng lên gấp ba lần.Tiến bộ này gắn liền với các thành công trong nghiên cứu tìm kiếm vật liệu mới

và hoàn thiện công nghệ chế tạo

II Cấu trúc tinh thể thờng gặp của Nd-Fe-B và các hợp kim tơng tự

Thông tin đầy đủ và chính xác về pha Nd-Fe-B, mà đặc biệt là pha và cấutrúc của Nd2Fe14B đợc trình bày trong các công trình của Herbst và cộng sự [13].Theo đó, tinh thể Nd2Fe14B có cấu trúc tứ giác, thuộc nhóm không gian P42/mnmvới kích thớc ô cơ sở là a = 0,879 nm, c=1,218 nm (hình 2.2.a) Mỗi ô cơ sở chứa

4 đơn vị công thức Nd2Fe14B gồm 68 nguyên tử, trong đó có 6 vị trí Fe (ký hiệu là

c, e, j1, j2, k1, k2) và 2 vị trí Nd (ký hiệu là f, g) không tơng đơng Tất cả cácnguyên tử Nd và B cùng với 4 nguyên tử Fe (vị trí c) nằm trên các mặt cơ sở z = 0

và z = 1/2 Mỗi nguyên tử B kết hợp với 6 nguyên tử Fe (ở vị trí e và k1) gần nónhất tạo thành một hình lăng trụ đáy tam giác (hình 2.2.b), các lăng trụ này nốivới các lớp sắt ở bên trên và bên dới các mặt phẳng cơ sở Chính sự sắp xếp này

đã làm ổn định cấu trúc tinh thể Nd2Fe14B [8]

Cấu trúc kiểu Nd2Fe14B có thể hình thành với tất cả các nguyên tử củanguyên tố đất hiếm, gọi chung là họ RE2Fe14B (RE là nguyên tố đất hiếm) hayhợp chất 2:14:1 Khi nguyên tử số z của các nguyên tố RE tăng thì hằng số mạngtơng ứng giảm, điều này đợc giải thích là do hiệu ứng co Lantan Theo đó,nguyên tử số của các nguyên tử đất hiếm càng tăng thì bán kính của chúng cànggiảm Tuy nhiên, hằng số mạng của ô cơ sở giảm chậm hơn so với bán kính, điều

Z=1/2

Z=0

Hình2.2. Cấu trúc tinh thể hợp kim Nd 2 Fe 14 B (a), Nguyên tử B và 6 nguyên tử

Fe (vị trí e, k 1 ) tạo thanh lăng trụ đứng đáy tam giác (b) [8].

này đợc cho là do kích thớc của mặt cơ sở chịu ảnh hởng tác động của lăng trụ

B-Fe hơn là do kích thớc của các ion RE

Trong hợp kim loại RE2Fe14B nguyên tố Fe có thể đợc thay thế hoàn toànbởi Co tạo nên hợp chất RE2Co14B hoặc B đợc thay thế hoàn toàn bởi C tạo nênhợp chất RE2Fe14C Ngoài ra các nguyên tố RE, Fe hoặc B cũng có thể đợc thaythế từng phần bởi các nguyên tố khác mà không làm thay đổi loại cấu trúc tinhthể Hiđrô cũng có thể xâm nhập điền kẽ vào ô mạng để tạo thành các hiđrua

điền kẻ RE2Fe14BHx và RE2Co14BHx

III.Các tính chất từ của hợp kim Nd-Fe-B và các hợp kim tơng tự

3.1 Tính chất từ của hợp kim Nd 2 Fe 14 B

Tính chất từ của một hợp chất đợc quy định bởi thành phần hóa học và cấutrúc tinh thể đợc gọi là tính chất từ nội tại nh từ độ tự phát, nhiệt độ Curie và tính

dị hớng từ v.v Nói cách khác tính chất từ nội tại đợc quy định bởi mômen từ củacác nguyên tử và tơng tác giữa chúng trong mạng tinh thể Tính chất từ ngoại lai

là các tính chất liên quan đến đờng từ trễ đợc quy định bởi cả hai yếu tố cấu trúctinh thể và vi cấu trúc tức là hình dạng, kích thớc hạt, tính đồng nhất và sự phân

bố của chúng trong vật liệu Để có thể hiểu đợc nguồn gốc của các ảnh hởng lêncác tính chất đó trớc hết chúng ta xét tính chất từ của các loại nguyên tử và tơngtác giữa chúng khi tạo thành tinh thể

3.1.1 Sự phụ thuộc của từ độ vào nhiệt độ

Hình 2.3 là đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc từ độ của các đơn tinh thểNd2Fe14B nói riêng và RE2Fe14B nói chung vào nhiệt độ đợc thực hiện bởiHirosawa và cộng sự [14] Kết quả này cho thấy liên kết giữa các mômen từnguyên tử đất hiếm (RE) và nguyên tử kim loại chuyển tiếp (TM) trong hợp kim

ba thành phần Fe-B cũng tơng tự nh trong liên kim loại hai thành phần

RE-TM Cụ thể, nếu RE là nguyên tố đất hiếm nhẹ thì mômen từ toàn phần là liênkết sắt từ giữa các nguyên tử RE với các nguyên tố kim loại chuyển tiếp Ngợclại, nếu RE là nguyên tố đất hiếm nặng thì liên kết đó là phản sắt từ Cả hai phânmạng đất hiếm và sắt đều có đóng góp vào từ độ của hợp chất RE2Fe14B Để đánhgiá phần đóng góp của phân mạng đất hiếm MRE vào từ độ chung chúng ta căn cứvào từ độ của hợp chất RE2Fe14B đo đợc ở nhiệt độ thấp (4,2 K) Kết quả này phùhợp với các kết quả nghiên cứu bằng phơng pháp nhiễu xạ notron đợc thực

hiện bởi tác giả [13] Nó một lần nữa khẳng định rằng tơng tác từ giữa hai phânmạng RE và Fe trong họ tinh thể ba thành phần RE2Fe14B cũng giống nh trongtinh thể hai thành phần RE-Fe Bảng 2.2 là giá trị nhiệt độ Curie TC, từ độ tự phát

Ms, các hằng số dị hớng K1, K2, K3 và trờng dị hớng HA của hợp chất RE2Fe14B ởnhiệt độ phòng

3.1.2 Tơng tác trao đổi giữa các nguyên tử trong tinh thể RE 2 Fe 14 B

Trong tinh thể sắt từ tơng tác trao đổi giữa các nguyên tử thành phần làmcho các mômen từ định hớng song song nhau dẫn đến xuất hiện từ độ tự phát.Năng lợng tơng tác này đợc đánh giá qua hằng số trao đổi Về mặt lý thuyết cóthể dự đoán tính chất từ của tinh thể bằng cách thiết lập và giải hệ các phơngtrình Schrodinger dựa trên thành phần và tính chất các nguyên tử Tuy nhiên, vấn

đề này có thể đợc giải quyết một cách đơn giản hơn trên cơ sở mẫu trờng phân

tử Dựa vào các số liệu đợc xác định bằng thực nghiệm ta có thể mô tả hiện tợngluận sự phụ thuộc của từ độ vào nhiệt độ, nhiệt độ Curie và trờng dị hớng cho cáchợp chất liên kim loại RE-TM có cùng cấu trúc tinh thể Trong phần sau trên cơ

Hình 2.3 Đ ờng cong từ độ phụ thuộc nhiệt độ của hợp chất