Báo cáo kỹ thuật vật liệu magnetic ceramic
BÁO CÁO GỐM SỨ: VẬT LIỆU MAGNETIC CERAMIC Nhóm 9: 1). Huỳnh Đặng Hoàng Mai MSSV: V0704297 2). Nguyễn Lâm Long Vân MSSV: V0702909 3). Trương Diệu Tông MSSV: V0704525 4). Nguyễn Văn Phước MSSV: V0701899 Hình 1: Một ứng dụng của vật liệu từ - Ghi/đọc trong ổ cứng máy tính. BÁO CÁO GỐM SỨ: VẬT LIỆU MAGNETIC CERAMIC I. SƠ LƯỢC VỀ LỊCH SỬ: Chúng ta vẫn thường xuyên bắt gặp các vật liệu sắt từ trong cuộc sống, và những tính chất của nó khiến ta lý thú và tò mò, ví dụ như nam châm có thể hút sắt, hay các lõi biến thế sao lại phải là các lá thép mỏng, rồi các nam châm điện, hay các ổ đĩa cứng Chúng đều có các vật liệu sắt từ trong đó. Có thể nói vật liệu sắt từ là một trong những vật liệu kỹ thuật quen thuộc nhất mà chúng ta thuờng nhìn thấy, nhưng hiểu một chút về nó, không phải ai cũng rõ. 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 về Điện và Từ, sau đó là thí nghiệm về sự tương tác giữa từ trường và dòng điện (của Oersted, các công trình của Ampere và Faraday ) Các nghiên cứu về từ học và các vật liệu từ thực sự phát triển như vũ bảo ở thế kỷ 20, và vật liệu từ đã thực sự được đưa 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 cách bản chất, chuyển động của các điện tích là nguồn gốc của từ trường. Mỗi điện tích chuyển 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 một hạt 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 hấp dẫn (hút hay đẩy) hoặc các ảnh hưởng lên các vật liệu khác.Ví dụ: sắt, thép,quặng manhetit. Vật liệu từ có ứng dụng rất rộng rãi và quan trọng trong rất nhiều lĩnh vực: máy phát 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 theo công thức từ trường sinh ra trong cuộn solenoid là H = n.I, I có đơn vị A, n có đơn vị 1/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 môi trường (tức là nó tỉ lệ với từ trường theo hằng số môi trường), ký hiệu là B. Trong chân không, 0 B H µ = , với 7 2 0 4 10 NA µ π − − = là hằng số từ, hay độ từ thẩm của chân không. Đơn vị của B là T (Tesla) trong hệ SI, còn hệ CGS, đơn vị của B là G (Gauss), 1 T = 10000 G. Trong hệ CGS, hằng số µ 0 có giá trị là 1, vì thế 1 G = 1 Oe. Ta chú ý rằng, quan hệ B = µ 0 .H là trong chân không, còn trong một môi trường bất kỳ, còn phải nhân 1 hệ số của môi trường khác gọi là độ từ thẩm. Dưới đây là ví dụ về cảm ứng từ B của một số nguồn từ: + 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 gặp trong 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.m 2 . 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 trên một đơn vị khối lượng. Ta có quan hệ giữa B, H và M như sau: B = µ 0 (M + H), M = χ.H χ gọi là độ cảm từ (Magnetic susceptibility), nói nên khả năng phản ứng của vật chất với từ trường. Do đó, ta có quan hệ: B = µ 0 (M + H) = µ 0 (1+χ).H hay B = µ 0 (1+1/χ).M Đại lượng µ = 1+χ gọi là độ từ thẩm (Magnetic permeability) hiệu dụng của vật liệu (độ từ thẩm tuyệt đối là µ 0 (1+χ)), và thường chỉ gọi tắt là độ từ thẩm. Độ từ thẩm và độ cảm từ có cùng ý nghĩa, có ý nghĩa chỉ khả năng phản ứng của vật chất dưới tác dụng của trường ngoài. Bảng 1: Đơn vị của một số đại lượng trong hệ SI (MKS Unit) và hệ Gauss (CGS) Đại lượng Hệ SI Hệ số chuyển đổi Hệ CGS Độ dài m 100 cm Khối lượng kg 1000 g Lực N 10 5 dyn Năng lượng J 10 7 erg Từ thông Wb 10 8 Maxwell Cảm ứng từ T 10 4 G Cường độ từ trường A/m 4π/1000 Oe Độ từ hóa A/m 1/1000 emu/cm 3 Mômen từ A.m 2 1000 emu Độ từ thẩm H/m 2 10 7 /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 > T C , chất trở thành thuận từ và khi T < T C , chất là sắt từ. Nhiệt độ C được gọi là nhiệt độ chuyển pha 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. Hình 3: Nhiệt độ Curie của một số vật liệu 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. 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 mọi vật 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 dòng Hình 4: Hiện tượng từ trễ. Hình 5: Đường cong từ trễ. sinh ra sẽ có xu thế chống lại nguồn sinh ra nó (từ trường), và tạo ra một mômen từ phụ 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 do các điện tử bù trừ lẫn nhau), vì thế khi đặt một từ trường ngoài vào, nó sẽ tạo ra các mômen 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 sát được hiệu ứng này bởi tính nghịch từ là rất yếu (độ từ thẩm của chất nghịch là nhỏ hơn và xấp xỉ 1 - độ cảm từ âm và rất bé, tới cỡ 10 -6 ). Các chất nghịch từ điển hình là H 2 O, Si, Bi, Pb, Cu, Au Trên các màng mỏng đường cong từ trễ của màng mỏng sắt từ trên các đế Si dạng chúi 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 cũng tăng 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 chúc mũi xuống. Ví dụ về độ cảm từ (χ) của một số chất: Cu: χ = -0,94.10 -5 Pb: χ = -1,7.10 -5 Hình 6: Đường cong từ trễ của màng mỏng sắt từ FePt trên đế Si đo bằng từ kế mẫu rung. H 2 O: 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 và mômen từ yếu). Khi đặt từ trường ngoài vào chất thuận từ, các "nam châm" (mômen từ nguyên tử) sẽ có xu hướng bị quay theo từ trường, vì thế mômen từ của chất thuận từ là dương, tuy nhiên do mỗi "nam châm" này có mômen từ rất bé, nên mômen từ của chất thuận từ cũng rất nhỏ. Hơn nữa, do các nam châm này không hề có tương tác với nhau nên 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, 7 th 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, O 2 , Pt , và độ cảm từ χ của 1 số chất thuận từ như sau: Al: χ = 2,10.10 -5 Hình 7: Hình ảnh đơn giản về chất thuận từ. Pt: χ = 2,90.10 -5 Ôxy lỏng: χ = 3,50.10 -5 Trước đây, người ta thường coi các chất thuận từ và nghịch từ là các chất từ tính yếu, hay phi từ, gần đây, các chất có tính chất giống thuận từ (siêu thuận từ) lại được nghiên cứu ứng dụng mạnh, và không phải là từ tính kém (sẽ trình bày sau). 3. Vật liệu sắt từ và tính sắt từ (Ferromagnetic materials - Ferromagnetism): Chất sắt từ (Ferromagnetic Materials) được biết đến là chất có từ tính mạnh, tức là khả năng cảm ứng dưới từ trường ngoài mạnh. Fe, Co, Ni, Gd là những ví dụ điển hình về loại chất này. Chất sắt từ là các chất có mômen từ nguyên tử. Nhưng nó khác biệt so với các chất thuận từ ở chỗ các mômen từ này lớn hơn và có khả năng tương tác với nhau (tương tác trao đổi sắt từ - Ferromagnetic exchange interaction). Ta tưởng tượng tương tác này như là các nam châm đứng gần nhau, chúng hút nhau và giữ cho nhau song song nhau. Tất nhiên, bản chất vật lý của tương tác trao đổi không như thế, bản chất của tương tác trao đổi là tương tác tĩnh điện đặc biệt. Tương tác này dẫn đến việc hình thành trong lòng vật liệu các vùng (gọi là các đômen từ - Magnetic Domain) 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 vật liệu (có nghĩa là độ từ hóa tồn tại ngay cả khi không có từ trường). Nếu không có từ trường, do năng lượng nhiệt làm cho mômen từ của các đômen trong toàn khối sẽ sắp xếp hỗn độn do vậy tổng độ từ hóa của toàn khối vẫn bằng 0 (hình 9). Hình 8: Ôxy lỏng (chất thuận từ) bị hút vào cực của nam châm điện. Hình 9: Các domain từ, trong các domain, mômen từ hoàn toàn song song với nhau. 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 duy nhất. Nếu ta ngắt từ trường, các mômen từ sẽ lại có xu hướng hỗn độn và lại tạo thành các đômen, tuy nhiên, các đômen này vẫn còn tương tác với nhau (ta tưởng tượng 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 hình vẽ). Nếu muốn khử hoàn toàn mômen từ của vật liệu, ta cần đặt một từ trường ngược sao cho mômen từ hoàn toàn bằng 0, gọi là lực khác từ (coercivity, hay coercive field). Đường cong từ hóa (sự phụ thuộc của từ độ vào từ trường ngoài của chất sắt từ khác 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). [...]... của nó nên có thể sử dụng ở các ứng dụng cao tần cỡ từ kHzMHz Loại vật liệu này được phát hiện ở cuối thế kỷ 20, và đưọc coi là vật liệu từ mềm tốt nhất hiện này (ultrasoft magnetic materials), và là một chủ đề nghiên cứu mạnh 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 các môi trường khắc nghiệt như chịu... biển, kiềm 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 và cũng khó bị khử từ (có nghĩa là từ tính có thể giữ được tốt dưới tác dụng của trường ngoài) Một ví dụ đơn giản của vật liệu từ cứng là các nam châm vĩnh cửu Vật liệu từ cứng có... từ độ bão hòa không cao Tính "cứng" của vật liệu từ cứng đến từ tính dị hướng từ, liên quan đến năng lượng từ có được do tính đối xứng tinh thể của vật liệu Tức là, thông thường các vật liệu từ cứng thường có cấu trúc tinh thể có tính đối xứng kém (bất đối xứng) 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 năng lượng (nam châm vĩnh cửu)... GS Thân Đức Hiền (Viện Itims, ĐHBKHN), nhóm của GS Nguyễn Hoàng Nghị (Viện Vật lý Kỹ thuật, ĐHBKHN), hay nhóm của GS Nguyễn Xuân Phúc (Viện Khoa học Vật liệu, Viện KH&CN VN) Tuy nhiên, một điều đáng buồn là việc triển ứng dụng công nghệ vật liệu từ ở Việt Nam còn vô cùng nghèo nàn (do chúng ta chưa hề có công nghiệp về vật liệu) vì thế các kết quả vẫn chủ yếu dừng lại ở các kết quả khoa học mà ít... 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 rất lớn, làm giảm tổn hao xoáy) Tuy nhiên, một loại vật liệu từ mềm mới đã khắc phục điều này (như hình vẽ trên là các vật liệu từ nanocrystalline như Fe-Si-B-Nb-Cu ) Chúng là các vật liệu có cấu trúc nano, có tính chất từ siêu mềm (có lực kháng... 7 Gốm Ferit: Ferit là các vật liệu thành phần MeO.Fe2O3 có tính chất từ trễ Hiện tượng từ trễ là hiện tượng bị chậm của biến đổi cảm ứng từ B trong chất sắt từ so với sự biến đổi của cường độ từ trường H Khi có một từ trường tác dụng mỗi phần tử của vật thể có một moment từ Khi không còn tác dụng của từ trường, moment từ bị triệt tiêu với các vật liệu thông thường Với vật liệu sắt từ, moment từ còn... để chế tạo các chất lỏng từ (Magnetic Fluid) dành cho các ứng dụng y sinh Đối với vật liệu siêu 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 có nghĩa là, vật liệu sẽ phản ứng dưới tác động của từ trường ngoài nhưng khi ngừng tác động của từ trường ngoài, vật liệu sẽ không còn từ tính nữa,... trong quá trình từ hóa, được tính bằng diện tích của đường cong từ trễ Do vậy, vật liệu sắt từ mềm "xin" có đường trễ càng hẹp càng tốt - Tổn hao xoáy: sinh ra do các dòng Foucalt sinh ra trong trường xoay chiều làm nóng vật liệu, năng lượng này tỉ lệ thuận với bình phương tần số từ trường, tỉ lệ nghịch với điện trở suất của vật liệu Điều này lý giải tại sao dù có phẩm chất rất cao, những lõi tôn Si chỉ... nhỏ.Ferrit còn được dùng nhiều trong kỹ thuật tần số cao (kỹ thuật radio, vô tuyến truyền hình, thiết bị điện và điện tử, bộ nhớ máy tính) Đại lượng cần phải điều chỉnh khác nữa là tổn thất từ giảo (từ giảo là hiện tượng kích thước từ trễ biến đổi – hình dạng mũi nhọn của đường biểu diễn H–B) khi biến đổi cường độ từ trường Fe3O4 có giá trị từ giảo dương trong khi các vật liệu khác có giá trị âm Fe 3O4... vật liệu từ cứng là có lực kháng từ Hc lớn (trên 102Oe) Tính "cứng" của vật liệu từ cứng trước tiên thể hiện ở lực kháng từ cao, mà nguyên nhân quan trọng đầu tiên là do tính dị hướng từ tinh thể rất lớn Tính cứng thể hiện đơn giản là tính khó từ hoá và khó khử từ Hai ứng dụng quan trọng và phổ biến nhất hiện nay của vật liệu từ cứng là NAM CHÂM VĨNH CỬU (Permanent magnets) và MÔI TRƯỜNG GHI TỪ (Magnetic . 1: Một ứng dụng của vật liệu từ - Ghi/đọc trong ổ cứng máy tính. BÁO CÁO GỐM SỨ: VẬT LIỆU MAGNETIC CERAMIC I. SƠ LƯỢC VỀ LỊCH SỬ: Chúng ta vẫn thường xuyên bắt gặp các vật liệu sắt từ trong cuộc. các nam châm điện, hay các ổ đĩa cứng Chúng đều có các vật liệu sắt từ trong đó. Có thể nói vật liệu sắt từ là một trong những vật liệu kỹ thuật quen thuộc nhất mà chúng ta thuờng nhìn thấy, nhưng hiểu. 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 mọi vật chất. Ta biết rằng, khi đặt một vật