Báo cáo kỹ thuật vật liệu magnetic ceramic

Báo cáo kỹ thuật vật liệu magnetic ceramic

BÁO CÁO GỐM SỨ:

VẬT LIỆU MAGNETIC CERAMIC

Nhóm 9:

Hình 1: Một ứng dụng của vật liệu từ - Ghi/đọc trong ổ cứng

Lịch sử của từ học được bắt đầu từ khi người Trung Hoa cổ đại phát hiện ra các đá

từ thạch có khả năng định hướng Nam- Bắc, và có khả năng hút các vật bằng sắt Nghiên cứu về từ học được mở ra vào thế kỷ 18 khi Girlbert viết cuốn sách vềĐiện và Từ, sau đó là thí nghiệm về sự tương tác giữa từ trường và dòng điện (củaOersted, các công trình của Ampere và Faraday ) Các nghiên cứu về từ học và cácvật liệu từ thực sự phát triển như vũ bảo ở thế kỷ 20, và vật liệu từ đã thực sự đượcđưa vào ứng dụng rộng rãi trong cuộc sống và sản xuất

II NGUỒN GỐC TỪ TRƯỜNG:

Nói một cách đơn giản, dòng điện là nguồn gốc của từ trường hay nói một cáchbản chất, chuyển động của các điện tích là nguồn gốc của từ trường Mỗi điện tíchchuyển động sinh ra một từ trường, hay một lưỡng cực từ (tạo thành một mômen từ,xem hình) Mômen từ của một nguyên tử sinh ra có thể do 2 nguyên nhân:

- Chuyển động quỹ đạo của các điện tử (mômen quỹ đạo L)

- Chuyển động tự quay của các điện tử (mômen spin S) Spin là một đặc trưng của mộthạt cơ bản

III CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN:

1 Vật liệu từ: là loại vật liệu mà dưới tác dụng của từ trường ngoài có thể bị từ

hóa, hay có những tính chất từ đặc biệt Từ tính của vật liệu biểu hiện ở khả năng hấpdẫn (hút hay đẩy) hoặc các ảnh hưởng lên các vật liệu khác.Ví dụ: sắt, thép,quặngmanhetit

Vật liệu từ có ứng dụng rất rộng rãi và quan trọng trong rất nhiều lĩnh vực: máyphát điện, biến áp, động cơ điện, radio,tivi, điện thoại, máy tính, các thiết bị âm thanh,hình ảnh

2 Cường độ từ trường (Magnetic field Strength): Chỉ độ mạnh yếu của từ

trường, không phụ thuộc vào môi trường xung quanh, thường ký hiệu là H Trong hệ

Hình 2: Cơ chế tạo thành moment từ.

đơn vị chuẩn SI, cường độ từ trường H có đơn vị là A/m (có thể nhớ đơn giản theocông thức từ trường sinh ra trong cuộn solenoid là H = n.I, I có đơn vị A, n có đơn vị1/m → H là A/m) Ngoài ra, giới nghiên cứu về từ học hay sử dụng 1 hệ đơn vị khác

là hệ CGS (Cm-G-S), trong hệ này, đơn vị của H là Oe (Oersted) 1 Oe ~ 80 A/m

3 Cảm ứng từ B (Magnetic Induction): chỉ cường độ từ trường trong môitrường (tức là nó tỉ lệ với từ trường theo hằng số môi trường), ký hiệu là B Trongchân không, B0H, với 7 2

+ Từ trường của nam châm móng ngựa: 500G-1000G

+ Từ trường của nam châm đất hiếm ( rất mạnh và khá đắt tiền): 0,75-1.4T

+ Từ trường của các nam châm điện trong các từ kế (từ trường 1 chiều DC): 2.5T.+ Từ trường của nam châm siêu dẫn: 5-9T

+ Từ trường xung: 9-15T

+ Từ trường Trái đất: 0,5G

Chú ý là từ trường 1 T là khá lớn so với các từ trường thông thường mà ta gặptrong cuộc sống

4 Momen từ (Magnetic moment): Là thước đo độ mạnh yếu của nguồn từ, là độ

lớn của vectơ lưỡng cực từ, có đơn vị là I.m2

5 Từ thông (Magnetic flux): Chỉ số đường sức qua một tiết diện của vật, được

tính bằng tích vô hướng của vecto cảm ứng từ B và véc tơ diện tích S

6 Độ từ hoá, hay từ độ (Magnetization): Là tổng các mômen từ trong một đơn

vị thể tích (có cùng đơn vị với từ trường H), hay có thể dùng là tổng mômen từ trênmột đơn vị khối lượng

Ta có quan hệ giữa B, H và M như sau:

và độ cảm từ có cùng ý nghĩa, có ý nghĩa chỉ khả năng phản ứng của vật chất dưới tácdụng của trường ngoài.

Bảng 1: Đơn vị của một số đại lượng trong hệ SI (MKS Unit) và hệ Gauss (CGS)

Cường độ từ trường A/m 4π/1000 Oe

Độ từ hóa A/m 1/1000 emu/cm3

Mômen từ A.m2 1000 emu

Độ từ thẩm H/m2 107/4π

IV TÍNH CHẤT:

Hai tính chất quan trọng của vật liệu từ là nhiệt độ Curie và hiện tượng trễ

1 Nhiệt độ Curie: là nhiệt độ mà tại đó, chất bị mất trật tự từ, và khi T > TC, chấttrở thành thuận từ và khi T < TC, chất là sắt từ Nhiệt độ C được gọi là nhiệt độ chuyểnpha sắt từ

2 Hiện tượng từ trễ: là hiện tượng được

mô tả như sau: ở trạng thái khử từ, các

mômen từ sắp xếp bất trật tự làm cho vật sắt

từ chưa có từ tính Nhưng nếu ta đặt vào một

từ trường ngoài, mômen từ có xu hướng định

hướng theo từ trường ngoài làm từ độ tăng

dần lên

Nếu ta tiếp tục tăng đến một giới hạn gọi

là trường bão hoà, thì tất cả các mômen từ sẽ

hoàn toàn song song với nhau, tạo nên hiện

tượng bão hoà từ, khi đó từ độ sẽ đạt cực đại

và không thể tăng nữa, gọi là từ độ bão hoà

(Is, tương ứng với cảm ứng từ bão hoà Bs)

Nếu ta khử từ bằng cách đặt từ trường ngược

lại và tăng dần, thì từ độ giảm dần và không

còn đi theo đường từ hoá ban đầu, mà đi theo 1 đường khác do sự liên kết mạnh giữa

các mômen từ và khi từ trường ngoài bằng 0,

thì từ độ không bị triệt tiêu về 0 mà tiến đến

một giá trị còn dư gọi là độ từ dư (tương ứng

với cảm ứng từ dư Br) Muốn khử hoàn toàn từ độ bằng 0, ta phải đặt vào một từ

trường ngược gọi là lực kháng từ (Hc) và nếu ta đặt tư trường theo 1 chu trình kín, ta

sẽ có 1 đường cong kín gọi là đường cong từ trễ

Hình 3: Nhiệt độ Curie của một số vật liệu

Hình 4: Hiện tượng từ trễ.

V PHÂN LOẠI VẬT LIỆU TỪ:

1 Vật liệu nghịch từ (diamagnetic materials)

"Nghịch" ở đây có thể hiểu là chống lại từ trường Đó là thuộc tính cố hữu của mọivật chất Ta biết rằng, khi đặt một vật vào từ trường, theo quy tắc cảm ứng điện từ,trong nội tại của nguyên tử sẽ sinh ra dòng cảm ứng theo quy tắc Lenz, tức là dòngsinh ra sẽ có xu thế chống lại nguồn sinh ra nó (từ trường), và tạo ra một mômen từphụ ngược với chiều của từ trường ngoài Đó là tính nghịch từ

Chất nghịch từ là chất không có mômen từ nguyên từ (tức là mômen từ sinh ra docác điện tử bù trừ lẫn nhau), vì thế khi đặt một từ trường ngoài vào, nó sẽ tạo ra cácmômen từ ngược với từ trường ngoài (quy tắc nghịch từ nói ở trên) Theo nguyên lý,vật nghịch từ sẽ bị đẩy ra khỏi từ trường Nhưng thông thường, ta khó mà quan sátđược hiệu ứng này bởi tính nghịch từ là rất yếu (độ từ thẩm của chất nghịch là nhỏhơn và xấp xỉ 1 - độ cảm từ âm và rất bé, tới cỡ 10-6) Các chất nghịch từ điển hình là

H2O, Si, Bi, Pb, Cu, Au

Hình 5: Đường cong từ trễ.

Trên các màng mỏng đường cong từ trễ của màng mỏng sắt từ trên các đế Si dạngchúi mũi xuống như sau:

Ta biết rằng màng mỏng là một lớp rất mỏng phủ trên đế Si nghịch từ Mômen

từ của Si sẽ âm và lớn dần trong từ trường, còn mômen từ của màng là dương và cũngtăng dần Trong từ trường nhỏ, tính sắt từ thắng nên ta thấy đường cong bình thường.Nhưng khi từ trường lớn, mômen từ âm thắng thế, và đường cong ngày càng bị chúcmũi xuống

Ví dụ về độ cảm từ (χ) của một số chất:

Cu: χ = -0,94.10-5

Pb: χ = -1,7.10-5

H2O: χ = -0,88.10-5

2 Chất thuận từ (Diamagnetic substance)

Chất thuận từ là chất có mômen từ nguyên từ, nhưng mômen từ này cũng rất nhỏ,

có thể xem một cách đơn giản các nguyên tử của chất thuận từ như các nam châm nhỏ(xem hình 7), nhưng không liên kết được với nhau (do khoảng cách giữa chúng xa vàmômen từ yếu)

Hình 6: Đường cong từ trễ của màng mỏng sắt từ FePt trên đế

Si đo bằng từ kế mẫu rung

Khi đặt từ trường ngoài vào chất thuận từ, các "nam châm" (mômen từ nguyêntử) sẽ có xu hướng bị quay theo từ trường, vì thế mômen từ của chất thuận từ làdương, tuy nhiên do mỗi "nam châm" này có mômen từ rất bé, nên mômen từ của chấtthuận từ cũng rất nhỏ Hơn nữa, do các nam châm này không hề có tương tác với nhaunên chúng không giữ được từ tính, mà lập tức bị

mất đi khi ngắt từ trường ngoài

Như vậy, chất thuận từ về mặt nguyên lý

cũng bị hút vào từ trường (một hình ảnh ví dụ là

Ôxy lỏng bị hút vào cực của nam châm điện (hình

8 - Haliday et al Fundamentals of Physics, 7th Ed.)

Nhưng thực tế, bức tranh này ta chỉ quan sát thấy

trong từ trường mạnh

Các chất thuận từ điển hình là Al, Na, O2,

Pt , và độ cảm từ χ của 1 số chất thuận từ như sau:

3 Vật liệu sắt từ và tính sắt từ (Ferromagnetic materials - Ferromagnetism):

Hình 7: Hình ảnh đơn giản về chất thuận từ.

Hình 8: Ôxy lỏng (chất thuận từ) bị

hút vào cực của nam châm điện

Chất sắt từ (Ferromagnetic Materials) được biết đến là chất có từ tính mạnh, tức làkhả năng cảm ứng dưới từ trường ngoài mạnh Fe, Co, Ni, Gd là những ví dụ điểnhình về loại chất này Chất sắt từ là các chất có mômen từ nguyên tử Nhưng nó khácbiệt so với các chất thuận từ ở chỗ các mômen từ này lớn hơn và có khả năng tươngtác với nhau (tương tác trao đổi sắt từ - Ferromagnetic exchange interaction) Tatưởng tượng tương tác này như là các nam châm đứng gần nhau, chúng hút nhau vàgiữ cho nhau song song nhau Tất nhiên, bản chất vật lý của tương tác trao đổi khôngnhư thế, bản chất của tương tác trao đổi là tương tác tĩnh điện đặc biệt Tương tác nàydẫn đến việc hình thành trong lòng vật liệu các vùng (gọi là các đômen từ - MagneticDomain) mà trong mỗi đômen này, các mômen từ sắp xếp hoàn toàn song song nhau(do tương tác trao đổi), tạo thành từ độ tự phát - spontaneous magnetization của vậtliệu (có nghĩa là độ từ hóa tồn tại ngay cả khi không có từ trường) Nếu không có từtrường, do năng lượng nhiệt làm cho mômen từ của các đômen trong toàn khối sẽ sắpxếp hỗn độn do vậy tổng độ từ hóa của toàn khối vẫn bằng 0 (hình 9).

Nếu ta đặt từ trường ngoài vào vật liệu sẽ có 2 hiện tượng xảy ra:

- Sự lớn dần của các đômen có mômen từ theo phương từ trường

- Sự quay của các mômen từ theo hướng từ trường

Khi tăng dần từ trường đến mức đủ lớn, ta có hiện tượng bão hòa từ, lúc đó tất

cả các mômen từ sắp xếp song song với nhau và trong vật liệu chỉ có 1 đômen duynhất Nếu ta ngắt từ trường, các mômen từ sẽ lại có xu hướng hỗn độn và lại tạo thànhcác đômen, tuy nhiên, các đômen này vẫn còn tương tác với nhau (ta tưởng tượng

Hình 9: Các domain từ, trong các domain, mômen

từ hoàn toàn song song với nhau

hình ảnh các nam châm hút nhau làm chúng không hỗn độn được) do vậy tổng mômen

từ trong toàn khối không thể bằng 0 mà bằng một giá trị khác 0, gọi là độ từ dư(remanent magnetization) Điều này tạo thành hiện tượng trễ của vật liệu (xem hìnhvẽ) Nếu muốn khử hoàn toàn mômen từ của vật liệu, ta cần đặt một từ trường ngượcsao cho mômen từ hoàn toàn bằng 0, gọi là lực khác từ (coercivity, hay coercivefield) Đường cong từ hóa (sự phụ thuộc của từ độ vào từ trường ngoài của chất sắt từkhác với chất thuận từ ở chỗ nó là đường cong phi tuyến (của thuận từ là tuyến tính)

và đạt tới bão hòa khi từ trường đủ lớn (hình 10)

Hai đặc trưng cơ bản cần nhớ của chất sắt từ là (xem hình 10):

- Đường cong từ trễ (hysteresis loop)

Hình 10: Đường cong từ trễ (a) và nhiệt độ

Curie (b) của chất sắt từ

a) Sắt từ mềm - Soft magnetic materials

Sắt từ mềm, không phải là các chất mềm về mặt cơ học, mà "mềm" về phươngdiện từ (tức là dễ bị từ hóa và khử từ) Sắt từ mềm có đường trễ hẹp (lực kháng từ rất

bé, chỉ cỡ dưới 102 Oe) nhưng lại có từ độ bão hòa rất cao, có độ từ thẩm lớn, nhưng

từ tính lại dễ dàng bị mất đi sau khi ngắt từ trường ngoài Hình vẽ dưới đây so sánhcác chất từ mềm ở 2 phương diện là từ độ bão hòa và độ từ thẩm

Các chất

từ mềm "truyềnthống" đã biết làsắt non, ferriteMn,Zn, Cácchất sắt từ mềm được sử dụng trong các lõi nam châm điện, lõi biến thế, lõi dẫn từ ,

có nghĩa là sử dụng nó như vật dụng trong từ trường ngoài Do vậy, đặc trưng màngười ta quan tâm đến nó là: tổn hao trễ và tổn hao xoáy

Hình 11: So

sánh các vậtliệu từ mềm ởtần số từtrường ngoài 1kHz

- Tổn hao trễ sinh ra do sự mất mát năng lượng trong quá trình từ hóa, được tính bằngdiện tích của đường cong từ trễ Do vậy, vật liệu sắt từ mềm "xin" có đường trễ cànghẹp càng tốt.

- Tổn hao xoáy: sinh ra do các dòng Foucalt sinh ra trong trường xoay chiều làm nóngvật liệu, năng lượng này tỉ lệ thuận với bình phương tần số từ trường, tỉ lệ nghịch vớiđiện trở suất của vật liệu Điều này lý giải tại sao dù có phẩm chất rất cao, những lõitôn Si chỉ có thể sử dụng trong từ trường tần số thấp (thường là 50-100Hz) do chúng

có điện trở suất rất thấp, trong khi các ferrite lại sử dụng được trong kỹ thuật cao tần

và siêu cao tần dù có phẩm chất kém hơn nhiều (vì chúng là gốm, có điện trở suất rấtlớn, làm giảm tổn hao xoáy)

Tuy nhiên, một loại vật liệu từ mềm mới đã khắc phục điều này (như hình vẽtrên là các vật liệu từ nanocrystalline như Fe-Si-B-Nb-Cu ) Chúng là các vật liệu cócấu trúc nano, có tính chất từ siêu mềm (có lực kháng từ cực nhỏ, độ từ thẩm rất cao,

từ độ bão hòa cao), đồng thời lại có điện trở suất rất lớn (dù là các băng nền kim loại)

do cấu trúc đặc biệt của nó nên có thể sử dụng ở các ứng dụng cao tần cỡ từ MHz Loại vật liệu này được phát hiện ở cuối thế kỷ 20, và đưọc coi là vật liệu từmềm tốt nhất hiện này (ultrasoft magnetic materials), và là một chủ đề nghiên cứumạnh của Trung tâm Khoa học Vật liệu, ĐHKHTN và Viện Vật lý Kỹ thuật(ĐHBKHN) Đặc biệt một số loại trong số các vật liệu này có thể sử dụng trong cácmôi trường khắc nghiệt như chịu nhiệt độ cao (ứng dụng làm động cơ của máy bayphản lực do khả năng chịu nhiệt độ cao, ở Mỹ đã làm rất nhiều), sử dụng trong cácmôi trường ăn mòn như nước biển, kiềm

kHz-b) Vật liệu sắt từ cứng (hard magnetic materials)

Cũng tương tự như sắt từ mềm, từ "cứng" trong cái tên của vật liệu này không phải

do cơ tính cứng của nó Ngược với sắt từ mềm, sắt từ cứng là vật liệu khó từ hóa vàcũng khó bị khử từ (có nghĩa là từ tính có thể giữ được tốt dưới tác dụng của trườngngoài) Một ví dụ đơn giản của vật liệu từ cứng là các nam châm vĩnh cửu

Vật liệu từ cứng có lực kháng từ lớn (phải trên 102 Oe), nhưng chúng thường có từ

độ bão hòa không cao Tính "cứng" của vật liệu từ cứng đến từ tính dị hướng từ, liênquan đến năng lượng từ có được do tính đối xứng tinh thể của vật liệu Tức là, thôngthường các vật liệu từ cứng thường có cấu trúc tinh thể có tính đối xứng kém (bất đốixứng) ví dụ như tứ giác, hay lục giác

Do khả năng giữ lại từ tính, nên vật liệu từ cứng được dùng làm vật liệu giữ nănglượng (nam châm vĩnh cửu) và lưu trữ thông tin (ổ đĩa cứng, đĩa từ ) Nói đến khảnăng tích trữ năng lượng, ta phải nhắc đến một thông số của vật liệu từ cứng là tíchnăng lượng từ (B.H)max (có đơn vị là đơn vị của mật độ năng lượng J/m3), là nănglượng cực đại có khả năng tồn trữ trong một đơn vị thể tích vật thể Để có (BH)max lớn,cần có lực kháng từ lớn, có từ độ cao và đường trễ càng lồi càng tốt Đơn vị thườngdùng của (BH)max là GOe, 1 MGOe=8 kJ/m3

Các nam châm vĩnh cửu truyền thống được sử dụng là ferrite từ cứng BaSr, hợpkim AlNiCo (khá đắt tiền) Thế hệ nam châm vĩnh cửu mới ra đời sau là các namchâm đất hiếm, mở đầu là các hợp chất RCo5 (như SmCo5 ) và sau đó là R2Fe14B như

(Nd2Fe14B, Pr2Fe14B ), R thường ký hiệu để chỉ các nguyên tố đất hiếm.Bảng 2 liệt kêmột số nam châm phổ biến.

Bảng 2:Từ dư (Br), lực kháng từ (Hc) và tích năng lượng từ (BH)max của một số namchâm

Vật liệu Br (T) Hc (MA/m) (BH)max (kJ/m3)Ferrite Sr 0,43 0,20 34

AlNiCo 5 1,27 0,05 44AlNiCo 9 1,05 0,12 84SmCo5 0,95 1,3 176

Sm2Co17 1,05 1,3 208

Nd2Fe14B 1,36 1,03 350

Nếu ta so sánh, có thể thấy nam châm vĩnh cửu R2Fe14B là loại tốt nhất(Trung Quốc là nước đứng đầu thế giới về thị phần nam châm đất hiếm với hơn 50%thị phần), nhưng thị phần nam châm trên thế giới phân bố như sau:

- 54% là nam châm ferrite

- 32% Nd2Fe14B

- 14% là các loại khác

Nam châm ferrite là các gốm ferrite từ cứng, có phẩm chất không cao nhưng có

ưu điểm là chế tạo rất đơn giản, giá thành rất thấp Còn nam châm Nd-Fe-B tuy phẩmchất rất tốt, nhưng lại có một số nhược điểm:

- Giá thành cao (do chứa nhiều đất hiếm là các nguyên tố đắt tiền)

- Dễ bị ôxi hóa do các nguyên tố đất hiếm có hoạt tính rất mạnh Nếu chúng ta bỏ mộtnam châm đất hiếm ngoài không khí, chỉ một thời gian là chúng bị rã thành các bột

- Nhiệt độ Curie thấp (312oC)

Trong thời gian gần đây, công nghệ nano phát triển, dẫn đến sự ra đời của mộtloại nam châm từ cứng mới tổ hợp tính chất của 2 loại từ cứng và từ mềm, có thể khắcphục các điểm yếu của nam châm tốt nhất (nam châm đất hiếm), có giá thành hạ vàcho phẩm chất cao hơn rất nhiều (như tính toán lý thuyết) nhưng chưa đạt được như

dự đoán Loại nam châm này gọi là nam châm tổ hợp nano hay nam châm trao đổi đànhồi

4 Siêu thuận từ (Superparamagnetic materials)

Nếu như trước đây, người ta coi thuận từ là các chất có từ tính yếu và ít có khảnăng ứng dụng thì gần đây, siêu thuận từ lại trở thành một "hot topic" trong từ học.Siêu thuận từ là gì?

Ta hãy xem xét lại một chút về sắt từ Một khái niệm cần biết trong sắt từ là "dịhướng từ tinh thể" K, đó là năng lượng định hướng liên quan đến sự định hướng củacác mômen từ so với từ trường Mỗi chất sắt từ có 1 trục dễ từ hóa và khó từ hóa.Năng lượng để quay các mômen từ từ trục khó đến trục dễ gọi là năng lượng dị hướng

từ tinh thể, liên quan đến sự bất đối xứng về tinh thể (hiểu một cách đơn giản nhất lànăng lượng định hướng)

Một vật sắt từ được cấu tạo bởi một hệ các hạt (thể tích V), các hạt này tương tác

và liên kết với nhau Giả sử nếu ta giảm dần kích thước các hạt thì năng lượng dịhướng KV giảm dần, nếu ta tiếp tục giảm thì đến một lúc nào đó KV<<kT, nănglượng nhiệt sẽ thắng năng lượng định hướng và vật sẽ mang hành vi của một chấtthuận từ Đó là siêu thuận từ

Các chất siêu thuận từ đang được quan tâm nghiên cứu rất mạnh, dùng để chếtạo các chất lỏng từ (Magnetic Fluid) dành cho các ứng dụng y sinh Đối với vật liệusiêu thuận từ, từ dư và lực kháng từ bằng không, và có hành vi như chất thuận từ,nhưng chúng lại nhạy với từ trường hơn, có từ độ lớn như của chất sắt từ Điều đó cónghĩa là, vật liệu sẽ phản ứng dưới tác động của từ trường ngoài nhưng khi ngừng tácđộng của từ trường ngoài, vật liệu sẽ không còn từ tính nữa, đây là một đặc điểm rấtquan trọng khi dùng vật liệu này cho các ứng dụng y sinh học (hình 12)

Hạt nanô từ tính dùng trong y sinh học cần phải thỏa mãn ba điều kiện sau: tínhđồng nhất của các hạt cao, từ độ bão hòa lớn và vật liệu có tính tương hợp sinh học

Hình 12: Ứng dụng của chất

lỏng từ trong sinh học