Giáo trình vật liệu điện, điện tử

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH Ths Tống Thị Phượng (Chủ biên) Ths Đoàn Thị Như Quỳnh GIÁO TRÌNH VẬT LIỆU ĐIỆN, ĐIỆN TỬ DÙNG CHO TRÌNH ĐỘ ĐẠI HỌC (LƯU HÀNH NỘI BỘ) QUẢNG NINH – 2014 LỜI MỞ ĐẦU Giáo trình “Vật liệu kỹ thuật điện, điện tử” tài liệu biên soạn để phục vụ cho việc giảng dạy, học tập giảng viên sinh viên ngành Công nghệ kỹ thuật điện, điện tử Giáo trình biên soạn theo đề cương học phần “Vật liệu kỹ thuật điện, điện tử” trình độ đại học ngành Cơng nghệ kỹ thuật điện, điện tử nhà trường thông qua Giáo trình gồm chương: Chương 1.Cấu tạo phân loại vật chất: Giới thiệu cấu tạo nguyên tử, phân tử, lý thuyết phân vùng lượng, phân loại vật chất Chương Vật liệu dẫn điện: Trình bày trình vật lý vật liệu dẫn điện tính chất chúng Giới thiệu vật liệu có điện dẫn cao, vật liệu dẫn điện có điện trở cao Chương Vật liệu cách điện: Trình bày q trình vật lý điện mơi tính chất chúng, phân loại vật liệu cách điện Giới thiệu vật liệu cách điện thể khí, thể lỏng, thể rắn Chương Vật liệu bán dẫn: Giới thiệu khái niệm chung vật liệu bán dẫn, tính dẫn điện vật liệu bán dẫn, tiếp xúc p-n số chất bán dẫn thông dụng Chương Vật liệu từ: Giới thiệu khái niệm chung vật liệu từ Tổng quan vật liệu từ mềm, vật liệu từ cứng vật liệu từ có cơng dụng đặc biệt Trong trình biên soạn giáo trình, cố gắng không tránh khỏi thiếu sót Kính mong đồng nghiệp bạn đọc đóng góp ý kiến để giáo trình hồn thiện Quảng Ninh, tháng năm 2014 Người biên soạn Tổng Thị Phượng Chương CẤU TẠO VÀ PHÂN LOẠI VẬT CHẤT 1.1 Cấu tạo vật chất 1.1.1 Cấu tạo nguyên tử Như biết vật chất cấu tạo từ nguyên tử phân tử Nguyên tử phần tử vật chất Theo mơ hình ngun tử Rutherford, ngun tử cấu tạo hạt nhân mang điện tích dương nhỏ bé, tập trung phần lớn khối lượng nguyên tử trung tâm, điện tử mang điện tích âm quay xung quanh hạt nhân quỹ đạo giống hành tinh quay xung quanh Mặt Trời (hình 1-1) Hình 1-1 Mơ hình ngun tử Rutherford Hạt nhân nguyên tử tạo nên từ hạt proton nơtron, nơtron hạt không mang điện tích, proton có điện tích dương với số lượng Z.q Trong đó: Z – Số lượng điện tử nguyên tử đồng thời số thứ tự nguyên tố nguyên tử bảng tuần hồn Mendeleep; q – Điện tích điện tử e (qe = 1,601.10-19 culơng) Proton có khối lượng 1,67.10-27kg; e – Electron có khối lượng 9,1.10-31kg Ở trạng thái bình thường ngun tử trung hịa điện, tức nguyên tử có tổng điện tích dương hạt nhân tổng điện tích âm điện tử Nếu lý đó, nguyên tử hay nhiều điện tử trở thành điện tích dương, ta thường gọi ion dương Ngược lại, nguyên tử trung hòa nhận thêm điện tử trở thành ion âm Để có khái niệm lượng điện tử ta xét nguyên tử hyđrô, nguyên tử cấu tạo từ proton điện tử Khi điện tử chuyển động quỹ đạo trịn bán kính r xung quanh hạt nhân điện tử chịu lực hút hạt nhân f1 xác định công thức sau: f1  q2 r2 (1-1) Lực hút f1 cân với lực ly tâm chuyển động f2: mv f2  (1-2) Trong đó: m - Khối lượng điện tử; v - Tốc độ chuyển động điện tử q2 Từ (1-1) (1-2) ta có f1 = f2 hay: mv  r Trong trình chuyển động, điện tử có động T = (1-3) mv q2 nên lượng điện tử bằng: U = r q2 W=T+U=2r (1-4) Biểu thức (1-4) chứng tỏ điện tử nguyên tử có mức lượng định, lượng tỷ lệ nghịch với bán kính quỹ đạo chuyển động điện tử Để di chuyển điện tử từ quỹ đạo chuyển động bán kính r vơ cần phải q2 cung cấp cho lượng lớn 2r Năng lượng tối thiểu cung cấp cho điện tử để điện tử tách rời khỏi nguyên tử trở thành điện tử tự người ta gọi lượng ion hóa (Wi) Khi bị ion hóa (bị điện tử), nguyên tử trở thành ion dương Q trình biến ngun tử trung hịa thành ion dương điện tử tự gọi trình ion hóa Trong ngun tử, lượng ion hóa lớp điện tử khác khác nhau, điện tử hóa trị ngồi có mức lượng ion hóa thấp chúng cách xa hạt nhân (biểu thức 1-4) Khi điện tử nhận lượng nhỏ lượng ion hóa chúng bị kích thích di chuyển từ mức lượng sang mức lượng khác Song, chúng ln có xu trở vị trí trạng thái ban đầu Phần lượng cung cấp để kích thích nguyên tử trả lại dạng lượng quang học (quang năng) Trong thực tế, lượng ion hóa lượng kích thích ngun tử nhận từ nhiều nguồn lượng khác nhiệt năng, quang năng, điện năng, lượng tia sóng ngắn  ,  ,  hay tia X 1.1.2 Cấu tạo phân tử Phân tử tạo nên từ nguyên tử thông qua liên kết hóa học Trong vật chất, tồn loại liên kết sau 1.1.2.1 Liên kết đồng hóa trị Liên kết đồng hóa trị đặc trưng dùng chung điện tử nguyên tử phân tử Khi đó, mật độ đám mây điện tử hạt nhân trở thành bão hòa, liên kết phân tử bền vững Lấy cấu trúc phân tử clo làm ví dụ Phân tử clo (Cl 2) gồm nguyên tử clo, nguyên tử clo gồm có 17 điện tử, điện tử hóa trị lớp Hai nguyên tử liên kết bền vững với cách sử dụng chung hai điện tử, lớp vỏ nguyên tử bổ sung thêm điện tử nguyên tử (hình 1-2) Hình 1-2 Liên kết cộng hóa trị phân tử clo Tùy thuộc vào cấu trúc đối xứng hay không đối xứng mà phân tử liên kết đồng hóa trị trung tính hay cực tính (lưỡng cực) Phân tử có trọng tâm điện tích dương âm trùng phân tử trung tính Các chất tạo nên từ phân tử trung tính gọi chất trung tính Phân tử có trọng tâm điện tích dương điện tích âm khơng trùng nhau, cách khoảng cách “a” gọi phân tử cực tính hay cịn gọi lưỡng cực Phân tử cực tính đặc trưng momen lưỡng cực m = q.a Dựa vào trị số momen lưỡng cực phân tử, người ta chia thành chất cực tính yếu cực tính mạnh Những chất cấu tạo phân tử cực tính gọi chất cực tính Liên kết đồng hóa trị cịn thấy chất rắn vơ có mạng tinh thể cấu tạo từ nguyên tử, ví dụ kim cương Cấu tạo kim cương mơ tả hình 1-3 Hình 1-3 Cấu tạo tinh thể kim cương 1.1.2.2 Liên kết ion Liên kết ion xác lập lực hút ion dương ion âm phân tử Liên kết ion liên kết bền vững Do vậy, vật rắn có cấu tạo ion đặc trưng độ bền học nhiệt độ nóng chảy cao Ví dụ điển hình tinh thể ion muối halogen kim loại kiềm Hình 1-4 Mơ hình mạng tinh thể NaCl Khả tạo nên chất hợp chất mạng không gian phụ thuộc chủ yếu vào kích thước ngun tử hình dáng lớp điện tử hóa trị ngồi 1.1.2.3 Liên kết kim loại Dạng liên kết tạo nên tinh thể vật rắn Kim loại xem hệ thống cấu tạo từ ion dương nằm môi trường điện tử tự (hình 1-5) Lực hút ion dương điện tử tạo nên tính nguyên khối kim loại Chính vậy, liên kết kim loại liên kết bền vững, kim loại có độ bền học nhiệt độ nóng chảy cao Lực hút ion dương điện tử tạo nên tính nguyên khối kim loại Hình 1-5 Sơ đồ cấu tạo kim loại Sự tồn điện tử tự làm cho kim loại có tính ánh kim tính dẫn điện, dẫn nhiệt cao Tính dẻo kim loại giải thích dịch chuyển trượt lớp ion, kim loại dễ cán, kéo thành lớp mỏng 1.1.2.4 Liên kết VandeWaals Liên kết dạng liên kết yếu, cấu trúc mạng tinh thể phân tử không vững Do vậy, liên kết phân tử liên kết VanderWaals có nhiệt độ nóng chảy độ bền thấp parafin 1.1.2.5 Liên kết hydro Liên kết hydro xuất trường hợp mà nguyên tử hydro liên kết vớí ngun tử có tính âm điện mạnh chẳng hạn flo, oxy, photpho, ni tơ Các nguyên tử điện tử liên kết mang điện tích âm, liên kết gây lực hút tĩnh điện hạt mang điện Một thí dụ điển hình liên kết loại liên kết xuất phân tử nước Liên kết O-H tạo thành nguyên tử oxy phân tử nước với nguyên hydro phân tử nước khác Nguyên tử hydro có điện tử hố trị, liên kết với ngun có lớp ngồi thiếu điện tử Nhưng hydro liên kết với hai nguyên tử lúc tạo thành liên kết hydro Đây dạng liên kết có hướng, lượng liên kết bé, nhỏ 20 kJ/mol 1.1.2.6 So sánh liên kết Liên kết thường gặp liên kết VanderWaals, xuất trường hợp loại liên kết yếu với lượng liên kết cỡ 104J/mol Liên kết xuất ngun tử, phân tử trung hồ có lớp vỏ điện tử bên đầy Liên kết ion loại liên kết điển hình, thường gặp chất vơ cơ, hợp chất kim loại với halogen, oxyt, kim loại, sulphua Vì vật rắn cấu tạo với liên kết ion hình thành lên mạng tinh thể ion, có nhiệt độ nóng chảy cao lượng liên kết cao Ở nhiệt độ thấp, điện dẫn điện tử yếu điện tử bị gắn chặt vào ion, tinh thể ion có tính chất điện môi Liên kết ion thường gặp kim loại chuyển tiếp (cadmi, selen, nitri ) Năng lượng liên kết ion lớn hẳn liên kết Van der Waals, đạt cỡ 106 J/mol Nhưng nhiệt độ cao chuyển động mạnh ion, nên điện dẫn ion xuất Liên kết cộng hoá trị có mặt chất hữu thường hay gặp hợp chất vô Liên kết dẫn đến tạo thành tinh thể hố trị điển Al, Ge Năng lượng liên kết ion thường cao khoảng 106J/mol Do chất có liên kết hố trị có điểm nóng chảy cao nhiệt dung lớn Liên kết kim loại xuất tạo thành điện tử hoá trị góp chung cho, đặc trưng cho kim loại điển hình Năng lượng liên kết bậc với với liên kết hoá trị Cuối liên kết hydro liên kết tương đối yếu Trong vật rắn thực, thường gặp thường gặp hai nhiều loại liên kết, có loại chiếm ưu quy định cấu trúc, tính chất vật liệu 1.1.3 Khuyết tật cấu tạo vật rắn Các tinh thể vật rắn có kết cấu đồng Sự phá hủy kết cấu đồng tạo nên khuyết tật vật rắn thường gặp nhiều thực tế Những khuyết tật tạo nên ngẫu nhiên hay cố ý q trình cơng nghệ chế tạo vật liệu Khuyết tật vật rắn tượng phá vỡ tính chất chu kỳ trường tĩnh điện mạng tinh thể như: Phá vỡ thành phần hợp thức, có mặt hợp chất lạ, áp lực học, lượng tử dao động đàn hồi – phonon, mặt tinh thể phụ - đoạn tầng, khe rãnh, lỗ xốp Hình 1-6 Các dạng khuyết tật vật rắn Khuyết tật làm thay đổi đặc tính học, lý học, hóa học tính chất điện vật liệu Khuyết tật tạo nên tính đặc biệt tốt, ví dụ vi mạch IC làm cho tính chất vật liệu đi, ví dụ vật liệu cách điện có lẫn kim loại 1.1.4 Các mạng tinh thể 1.1.4.1 Cấu trúc tinh thể Mạng lưới tinh thể (cấu trúc tinh thể) mạng lưới khơng gian ba chiều nút mạng đơn vị cấu trúc (nguyên tử , ion, phân tử ) - Tinh thể kim loại; - Tinh thể ion; - Tinh thể nguyên tử (Hay tinh thể cộng hoá trị); - Tinh thể phân tử 1.1.4.2 Khái niệm ô sở Là mạng tinh thể nhỏ mà cách tịnh tiến theo hướng ba trục tinh thể ta thu tồn tinh thể Mỗi sở đặc trưng thông số: Hằng số mạng: a, b, c, , , ; Số đơn vị cấu trúc: n; Số phối trí; Độ đặc khít 1.1.4.3 Mạng tinh thể kim loại a Một số kiểu mạng tinh thể kim loại * Mạng lập phương đơn giản - Đỉnh nguyên tử kim loại hay ion dương kim loại - Số phối trí = - Số đơn vị cấu trúc: * Mạng lập phương tâm khối - Đỉnh tâm khối hộp lập phương nguyên tử hay ion dương kim loại - Số phối trí = - Số đơn vị cấu trúc: * Mạng lập phương tâm diện - Đỉnh tâm mặt khối hộp lập phương nguyên tử ion dương kim loại - Số phối trí = 12 - Số đơn vị cấu trúc: * Mạng sáu phương đặc khít (mạng lục phương) - Khối lăng trụ lục giác gồm ô mạng sở Mỗi ô mạng sở khối hộp hình thoi Các đỉnh tâm khối hộp hình thoi nguyên tử hay ion kim loại - Số phối trí = 12 - Số đơn vị cấu trúc: Hình 1-7 Mơ hình mạng tinh thể kim loại b Một số đặc điểm mạng tinh thể kim loại * Độ đặc khít mng tinh th Lập ph- ơng tâm khối Lập ph- ơng tâm mặt C A B B A A Lục ph- ơng chặt khít Hỡnh 1-8 Mụ hỡnh so sỏnh tính chặt khít mạng tinh thể kim loại * Hốc tứ diện hốc bát diện Hèc b¸t diƯn Hèc tø diƯn Hình 1-9 Mơ hình hốc tứ diện bát diện mạng tinh thể kim loại + Mạng lập phương tâm mặt: Hốc tứ diện 8; Hốc bát diện là: + 12.1/4 = + Mạng lục phương: Hốc tứ diện 4; Hốc bát diện là: + 12.1/4 = c Độ đặc khít mạng tinh thể * Mạng tinh thể lập phương tâm khối a a a = 4r Hình 1-10 Mơ hình mạng tinh thể lập phương tâm khối Số cầu ô sở : + 1/8 = Tổng thể tích cầu  r 3 Thể tích sở = a3 * Mạng tinh thể lập phương tâm diện 3  (a ) = a3 = 68% a a a = 4.r Hình 1-11 Mơ hình mạng tinh thể lập phương tâm diện Số cầu ô sở : 1/2 + 1/8 = 4  r 3 Tổng thể tích cầu = = 4  (a ) = 74% Thể tích ô sở a3 a3 * Mạng tinh thể lục phương chặt khít Số cầu sở: 1/6 + 1/12 + =  r 3 Tổng thể tích cầu Thể tích sở = a  ( )3 = 2a a.a 2 a = 74% a 2a b= a a a a a a a = 2.r Ô sở a Hình 1-12 Mơ hình mạng tinh thể lục phương chặt khít Bảng 1-1 Tổng quát đặc điểm mạng tinh thể kim loại Số Số Số Số Độ đặc Cấu trúc Hằng số mạng hạt phối hốc hốc Kim loại khít (%) (n) trí T O Lập phương tâm khối (lptk:bcc) ===90o a=b=c Lập phương tâm diện (lptd: fcc) ===90o a=b=c 12 Lục phương đặc khít (hpc) == 90o  =120o a≠b≠c 12 - 68 Kim loại kiềm, Ba, Fe, V, Cr, … 74 Au, Ag, Cu, Ni, Pb, Pd, Pt, … 74 Be, Mg, Zn, Tl, Ti, … - d Khối lượng riêng kim loại * Cơng thức tính khối lượng riêng kim loại D= 3.M P (*) D = (n.M) / (NA.V1 ô ) 4 r N A Trong đó: M - Khối lượng kim loại (g); NA - Số Avogadro; n - Số nguyên tử ô sở; (1-6) u cầu kích thước hệ thống dẫn từ giảm xuống nhiều Vật liệu từ sử dụng trường từ biến thiên phải có tổn hao từ hóa nhỏ nhất, thơng thường dây dẫn từ ráp từ thép mỏng cách điện với Những vật liệu băng phải có độ mềm dẻo q trình chế tạo chi tiết dễ dàng Yêu cầu quan trọng vật liệu từ mềm thỏa mãn tính chất ổn định theo thời gian không bị tác động nhiệt độ, lực học… Trong số đặc tính từ thường có thay đổi lớn q trình sử dụng hệ số từ thẩm μ (đặc biệt trường yếu) lực kháng từ - Thơng số quan trọng để nói lên tính chất từ mềm vật liệu từ mềm lực kháng từ (coercivity, thường ký hiệu H) Lực kháng từ từ trường ngược cần thiết để triệt tiêu từ độ mẫu Lực kháng từ vật liệu từ mềm phải nhỏ cỡ 100 Oe Những vật liệu có tính từ mềm tốt, chí có lực kháng từ nhỏ (tới cỡ 0,01 Oe) - Độ từ thẩm ban đầu (intial permeability): Là thông số quan trọng nói lên tính từ mềm vật liệu từ mềm Độ từ thẩm ban đầu định nghĩa công thức:  i  lim H 0 dB dH (5-16) Vật liệu từ mềm có độ từ thẩm ban đầu từ vài trăm, đến vài ngàn, vật liệu có tính từ mềm tốt đạt tới vài chục ngàn, chí hàng trăm ngàn Chú ý: Độ từ thẩm (permeability) đại lượng đặc trưng cho khả phản ứng vật liệu từ tác dụng từ trường 5.3.1.1 Sắt sắt cacbon Thành phần chủ yếu phần lớn vật liệu từ sắt (Fe) Sắt vật liệu từ mềm điển hình, tính chất từ phụ thuộc vào lượng tạp chất Trong số vật liệu sắt từ, sắt có từ cảm bão hịa lớn ( khoảng 2,2 Tesla) Sắt nguyên chất siêu có lượng cacbon khơng q 0,05% điều chế hai phương pháp: + Phương pháp điện phân + Phương pháp nhiệt luyện quặng - Sắt non: Sắt non sắt tinh khiết, có cấu trúc tinh thể lập phương tâm khối (body-centered cubic-bcc hay alpha-Fe) có độ cao, vật liệu sắt từ điển hình (chú ý bị chuyển thành cấu trúc lập phương tâm mặt khơng cịn từ tính) Sắt non có cảm ứng từ bão hoà đạt tới 2,23T nên sử dụng làm lõi nam châm điện Người ta tăng thêm từ độ lõi sắt nam châm điện cách tạo hợp kim Fe với Co hợp kim FeCo (Fe_{65}Co_{35}) tăng từ độ bão hồ tới 2,43T Tính chất sắt phụ thuộc khơng lượng tạp chất, mà cịn phụ thuộc vào cấu trúc vật liệu, áp lực học - Sắt kỹ thuật: Thường chứa số lượng tạp chất khơng nhiều, gồm có cacbon, lưu huỳnh, mangan, Silic, nguyên tố khác làm giảm tính chất từ Do có điện trở suất thấp, sắt từ kỹ thuật sử dụng không nhiều - Tôn Silic: Thực chất hợp kim Fe Si (với Si chiếm khoảng 1-10% nguyên tử), chế tạo phương pháp luyện kim nóng chảy cảm ứng, nấu hồ quang để hồ tan Si Fe nóng chảy, sau đem cán nóng cán lạnh tạo thành thép tôn Silic Vật liệu sử dụng chủ yếu lõi biến (làm 132 lõi dẫn từ) sử dụng dịng điện có tần số thấp (không vài trăm Hz) vật liệu mang kim loại có điện trở suất nhỏ, sử dụng tần số cao dẫn đến tổn hao Foucault lớn chí nóng chảy lõi hay bị phẩm chất vật liệu Việc pha tạp Si vào Fe nhằm làm tăng điện trở suất vật liệu, giảm bớt tổn hao Foucault Tuy nhiên dẫn đến việc thay đổi tính chất nội Fe Thép Silic kỹ thuật vật liệu từ mềm sử dụng rộng rãi Nhờ có Silic thành phần thép mà vật liệu có điện trở suất cao, giảm tổn thất dịng điện xóay Ngồi Silic có thép có khả loại bỏ cacbon dạng grafit khử oxy có thép liên kết hóa học với oxy tạo thành SiO (sỉ) bị loại bỏ Nhờ có đưa Si vào thép làm tăng hệ số từ thẩm khởi đầu μ H hệ số từ thẩm cực đại μ max, giảm bớt lực kháng từ Hc giảm tổn thất từ trễ Sự đóng góp Si làm tăng hệ số từ thẩm thép, giảm số dị hướng từ số từ giảo Ở thép có chứa 6,8% Si số dị hướng từ nhỏ ba lần so với sắt sạch, giá trị từ giảo không Trong trường hợp thép Si có hệ số từ thẩm cao Tuy nhiên kỹ thuật thành phần Si khơng vượt q 5% điều giải thích Si làm giảm tính chất thép độ bền học, làm cho thép dễ gãy Loại thép khơng sử dụng để dập khn Ngồi tăng Si làm giảm từ cảm bão hòa, Si thành phần khơng dẫn từ Thép Si có tính dị hướng từ, tương tự sắt tức hướng từ hóa dễ trùng với hướng tinh thể, cịn hướng từ hóa khó trùng với đường chéo khơng gian ô Với vật liệu từ mềm gốc kim loại, người ta thường có cách xử lý ủ khí H2 nhằm khử tạp, tạo đồng tạo kích thước hạt lớn Đối với vật liệu từ mềm khối truyền thống, lực kháng từ H_c giảm theo kích thước hạt tinh thể tính chất tốt độ nguyên liệu cao Ví dụ hợp kim FeSi tăng kích thước hạt làm giảm đáng kể tổn hao lõi Thép kỹ thuật điện: Là hợp kim sắt Silic, chứa cacbon cán thành Chia làm loại: loại không hướng loại có hướng - Thép kỹ thuật điện khơng hướng: Có từ tính gần theo hướng phẳng Được sử dụng máy điện lớn nhỏ, máy biến áp Ngày chế tạo phương pháp cán nguội Hệ số từ thẩm, suất tổn hao thép kỹ thuật điện không hướng khơng phụ thuộc phụ thuộc vào góc hướng từ hóa hướng cán Thép có hướng có thay đổi rõ rệt Các tham số thường thấy: Tỉ lệ Silic đến 3,5% ; 0,5% Al Chiều dày 0,35 mm; 0,45mm; 0,635mm Thép kỹ thuật điện không hướng loại bán thành phẩm sử dụng trường hợp chế tạo sản phẩm với loạt lớn, có kích thước lõi từ nhỏ Hàm lượng Silic đến 3%; 0,5% Al, tỉ lệ C 0,05% phải giảm đến 0,005% sau ủ nhiệt, bề dày 0,47 đến 0,64 mm - Thép kỹ thuật điện có hướng: Từ thông chảy theo chiều cán thép, sử dụng máy biến công suất lớn Chiều dày 0,23 ; 0,27 ; 0,3 ; 0,35 mm Tỉ lệ Si 3,5%, đường kính hạt mm Loại có suất tổn hao nhỏ từ cảm lớn thường có tỉ lệ Si 2,5% đường kính hạt 8mm (thường ta phải cách điện bề mặt thép để hạn chế tổn hao lõi thép) 133 5.3.1.2 Hợp kim kháng từ thấp Permalloy: Là hợp kim sắt- nikel có độ từ thẩm cao vùng trường yếu có lực kháng từ nhỏ Permalloy chia loại cao loại thấp nikel Cao chứa 72% - 80% Ni cịn thấp chứa 40% - 50% Ni hệ số từ thẩm khởi đầu μ H hệ số từ thẩm cực đại μ max đạt cực đại hợp kim chứa 78,5% Ni Hợp kim dễ từ hóa trường yếu khơng tồn dị hướng từ tượng từ giảo Do có dị hướng yếu nên mơmen từ dễ dàng xoay từ hướng dễ từ hóa theo hướng trường, nhờ khơng tồn từ giảo nên từ hóa khơng xuất ứng suất học làm giảm dịch chuyển biên giới domen tác động trường yếu Tính chất từ permalloy nhạy cảm với lực tác động học bên ngoài, phụ thuộc vào thành phần hóa học, lượng tạp chất có hợp kim thay đổi mạnh vào chế độ gia nhiệt vật liệu - Hợp kim Permalloy vật liệu sắt từ mềm cao cấp có độ từ thẩm cao, có tính dẻo tốt, khả chịu mài mòn chống ăn mòn cao, từ độ bão hồ khơng cao Độ từ thẩm ban đầu Permalloy đạt tới 10000 lần, độ từ thẩm cực đại đạt tới 600000 có lực kháng từ nhỏ tới 0,01Oe Tuy nhiên, tính chất permalloy có điện trở suất thấp cảm ứng từ bão hồ khơng cao nên không sử dụng ứng dụng cao tần Permalloy sử dụng nhiều màng mỏng spintronics, biến có chất lượng cao, hay lõi dẫn từ, stator động cơ, máy phát điện Tính chất permalloy phụ thuộc mạnh vào tỉ số Fe Ni vật liệu Để tạo nên hợp kim có tính chất cần thiết thành phần hợp kim có thêm phụ gia Molipđen, Crom chúng làm tăng điện trở suất hệ số từ thẩm khởi đầu làm giảm ảnh hưởng lực học, nhiên làm giảm từ cảm bão hòa Đồng làm tăng μ khoảng hẹp, tăng độ ổn định nhiệt điện trở suất đồng thời gia cơng dễ dàng hơn, cịn Silic Mangan làm tăng điện trở suất Alsifer: Là hợp kim ba thành phần sắt, Silic nhôm 9,5% Si, 5,6% Al, lại sắt, loại hợp kim có độ cứng giịn Tính chất Alsifer sau: μ = 35400; μmax = 117000; Hc = 1,8A/m; ρ= 0,8μΩ.m Nó có tính chất khơng thua permalloy cao Nikel Các sản phẩm chế từ Alsifer - từ, thân dụng cụ v.v… chế tạo phương pháp đúc với thành chi tiết không mỏng 2mm - 3mm hợp kim giịn Điều làm hạn chế nhiều sử dụng vật liệu alsifer Do tính giịn alsifer nghiền nhỏ thành bột dùng với sắt cacbon để sản xuất lõi ép cao tần 5.3.2 Vật liệu từ mềm từ trường thay đổi có tần số cao Vật liệu từ dùng cuộn kháng, biến áp cuộn cảm, khí cụ đóng ngắt lựa chọn sở giá trò từ cảm, hệ số từ thẩm, tổn hao tần số sử dụng Khống chế dòng điện xốy có tầm quan trọng hàng đầu, nhằm để giảm tổn hao giảm thiểu hiệu ứng dòng điện xoáy, chống nhiễu gây Yêu cầu thực việc sử dụng hợp kim có hệ số từ thẩm cao dạng băng mỏng cuộn thành lõi hay dạng bột hợp kim sắt bọc cách điện, ép thành lõi dùng lõi ferit Băng từ mỏng sử dụng với tần số làm việc từ 400Hz đến 20 kHz Thiết bị điều hòa công suất thường làm việc tần số 10 kHz cao 134 Vật liệu từ sử dụng bột hợp kim sắt ép thành lõi ferit Tổn hao thơng số quan trọng yếu đặc biệt sử dụng tần số cao Những thông số cần xem xét khác nhiệt độ mơi trường, thơng số vật lý khác tác dụng lên phần tử từ + Hợp kim sắt - niken 3%: Sử dụng tần số cao, chế tạo thành băng mỏng có cách điện dày 0,025 đến 0,15 mm bề mặt, có μ cao, suất tổn hao nhỏ từ cảm tương đối thấp Giống băng từ mềm loại hợp kim khác, hợp kim dùng để chế tạo lõi thép ghép phương pháp khác bao gồm: Cuộn băng để làm lõi hình xuyến, chữ C chữ E Dập cắt theo chiều dọc thép để làm lõi biến áp Lá thép dập sẵn có hình chữ E, I, F, L … để làm lõi biến áp + Băng hợp kim niken: Có μ cao, dày từ 0,0032 đến 0,15 mm sử dụng tần số 0,1 đến 100kHz Những băng mỏng 0,0254 mm thường quấn lõi thép không gỉ gốm sứ để làm cứng vững cuộn băng để giữ từ tính ổn định Ví dụ: Mo permalloy, supermalloy, Fe- No 48 … Thường μ giảm tần số tăng tính chất chung vật liệu từ Những hợp kim dùng làm lõi cho máy biến dòng, biến áp chỉnh lưu - nghịch lưu, biến áp xung công suất lớn, đầu từ … băng từ mỏng 0,0254 mm dùng mạch định giờ, nghịch lưu tần số cao, nhớ số, biến áp xung, từ kế + Những loại băng từ khác: Permendur (30 đến 50% coban), permendur vanadi (49% Co, 2% V) hợp kim vô định hình Permendur có từ cảm lớn (236 G) cán thành băng dày 0,0254 mm, dùng chế tạo đầu ghi từ, permendur vanadi dùng làm lõi cuộn cho máy biến áp địi hỏi phải có kích thước nhỏ trọng lượng nhỏ dùng tần số kHz phát triển tính chất từ giảo cao vật liệu cách ủ nhiệt để dùng làm cảm biến Vật liệu gốm Ferite (MeO.Fe2O3): Là dạng hợp chất tạo từ hỗn hợp ôxit Fe (Fe2O3) với ơxit kim loại khác mang hóa trị (MeO) Về mặt chất, ferrite nhóm vật liệu ferri từ, có nghĩa cấu trúc gồm phân mạng có spin đối song song với nhau, khơng bù trừ hồn tồn Các ferrite từ mềm điển hình MnZnFe2O4, ferite Cd, ferriteNiMnFe2O4 Điểm mạnh ferrite có điện trở suất cao (chúng có tính dẫn bán dẫn có chất gốm) nên sử dụng ứng dụng sử dụng tần số ao (ta biết điện trở suất lớn làm giảm tổn hao xoáy nhiều Hình 5-12 ảnh chụp lõi ferrite cuộn cảm sử dụng tần số cao (dẫn sóng, tách sóng) Thậm chí ứng dụng siêu cao tần, khơng có vật liệu thay ferrite Một ưu điểm khác ferrite công nghệ chế tạo đơn giản độ bền cực cao Phương pháp phổ biến để chế tạo ferrite nghiền trộn oxit theo hợp thức, trộn keo kết dính, ép định hình nung thiêu kết mơi trường khơng khí Giá thành sản phẩm giá thành sản xuất ferrite thấp Ferrit mangan kẽm thường bán thị trường dùng tần số 1,5 MHz Ferrit niken kẽm dùng chủ yếu lọc có tần số làm việc 1,5 MHz Chúng giống với vật liệu gốm cơng nghệ chế tạo tính chất vật lý, có điện trở suất tương đương với chất bán dẫn lớn (1triệu lần) so với kim loại, μ =10000, điểm Quiri thấp (100 đến 3000C), từ cảm bão hịa nhỏ 135 (