Vật liệu từ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN  ĐOÀN MINH THỦY BÀI GIẢNG VẬT LIỆU TỪ Quy Nhơn 2021 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! MỞ ĐẦU Vật liệu từ spintronic có mặt khắp nơi ứng dụng cơng nghệ đại, ví dụ động điện, máy phát điện, cảm biến thiết bị truyền động, lưu trữ xử lý thông tin Công nghệ y tế hưởng lợi nhiều từ vật liệu từ tính - đặc biệt hạt nano từ tính - cho phương pháp điều trị chẩn đoán Tất ứng dụng nêu dựa vào đặc tính vật liệu sử dụng Các đặc tính lần phụ thuộc vào tính chất nội chất tạo vật liệu điều kiện bên ngồi Tính chất nội liên quan đến nguyên tố sử dụng thuộc tính chúng, ví dụ mơmen từ nguyên tử, tương tác trao đổi nguyên tử; điều kiện bên liên quan đến đặc tính cấu trúc vi cấu trúc vật liệu sử dụng, ví dụ cấu trúc tinh thể, kích thước hạt pha ranh giới hạt chúng Mục tiêu Học phần trang bị cho học viên kiến thức chuyên sâu vấn đề: Phân loại vật liệu từ nguồn gốc nguyên tử từ tính; Các tượng nghịch từ, thuận từ, sắt từ, phản sắt từ, ferit tượng vật liệu từ tính dị hướng từ; Cấu trúc đơmen chế từ hóa vật liệu từ; Cấu trúc, yêu cầu ứng dụng loại vật liệu từ mềm, vật liệu ghi từ vật liệu từ cứng Vật liệu từ có cấu trúc nano màng mỏng Nội dung học phần gồm hai phần: Phần từ học phần hai vật liệu từ, trình bày 10 chương Chương Chương trình bày kiến thức sở từ học bao gồm khái niệm bản, đại lượng đặc trưng cho vật liệu từ, phân loại vật liệu từ nguồn gốc nguyên tử từ tính; Chương 3, 4, lý thuyết nghịch từ, thuận từ, sắt từ, phản sắt từ ferit; Chương tượng vật liệu từ Chương 7, 8, trình bày cấu trúc, yêu cầu ứng dụng loại vật liệu từ mềm, vật liệu ghi từ vật liệu từ cứng; Chương 10 đề cập đến vật liệu từ đại vật liệu từ có cấu trúc nano màng mỏng Một điều cần lưu ý tài liệu hai hệ đơn vị hệ SI (Hệ đon vị quốc tế) mks, hệ cgs (điện từ emu) sử dụng, chủ yếu hệ đơn vị SI, cịn Hệ cgs sử dụng có thuận lợi Vấn đề sử dụng hệ đơn vị từ học vật liệu từ phức tạp Hệ SI, giảng dạy tất khóa học vật lý, tiêu chuẩn cho nghiên cứu khoa học tồn giới Tuy nhiên, không số nhà từ học ưu chuộng, nhiệt tình chấp nhận Mặc dù hai hệ thống mô tả thực tế vật lý giống nhau, chúng cách hình dung có phần khác thực Hệ SI có lợi rõ ràng xem xét ứng xử điện từ nhau, xử lý dòng điện tạo bên vật liệu hiệu ứng từ (dịng điện xốy) Việc kết hợp đơn vị cgs điện từ tĩnh điện trở nên lộn xộn, sử dụng SI đơn giản Hiện (đầu kỷ XXI), hệ SI sử dụng rộng rãi Châu Âu, đặc biệt vật liệu từ mềm (tức vật liệu nam châm vĩnh cửu) Ở Hoa Kỳ Nhật Bản, hệ thống cgs – emu phần lớn nhà nghiên cứu sử dụng, việc sử dụng SI tăng dần Cả hai hệ tìm thấy cơng trình tham khảo, tài liệu nghiên cứu, tài liệu thông số kỹ thuật thiết bị Đó lý hai hệ đơn vị sử dụng tài liệu Chương NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN Đọc xong chương học viên nắm vấn đề sau: - Sơ lược lịch sử phát triển vật liệu từ - Các khái niệm từ học như: tương tác cực từ, từ trường, lực từ, mômen tử - Các đại lượng lượng đặc trưng cho vật liệu từ như: độ từ hóa, độ từ cảm, độ từ cảm độ từ thẩm - Phân loại đặc trưng vật liệu từ 1.1 Sơ lược lịch sử vật liệu từ Theo truyền thuyết phổ biến phát nam châm, cách khoảng 4.000 năm người chăn cừu già người Cretan tên Magnes, chăn gia súc khu vực Magnesia (thuộc miền Bắc Hy Lạp), ngạc nhiên trước tượng đinh đế giày đầu gậy bịt kim loại của ơng có bám dính viên đá đen lớn Sau người ta xác định đá vơi chứa magnetite, gọi loadstone Loại đá có từ tính tự nhiên với thành phần hóa học Fe3O4 đươc từ hóa sét Tên gọi magnet (nam châm) có nguồn gốc tiếng Hy lạp có lẻ bắt nguồn từ tên vùng Magnesia Từ kỷ thứ trước Cơng ngun (TCN), câu chuyện từ tính bắt đầu xuất viết magnetite Lucretius (triết gia La Mã, khoảng 99 - 55 TCN) Pliny (triết gia La Mã, khoảng 23 - 79 SCN) Pliny viết đồi gần sông Indus tạo nên hồn tồn đá có khả hút sắt Ông đề cập đến sức mạnh ma thuật magnetite viết Nhiều năm sau khám phá, magnetite bao quanh mê tín coi có sức mạnh ma thuật, chẳng hạn khả chữa lành bệnh, làm hoảng sợ linh hồn ma quỷ, có khả hút phá tan thuyền làm sắt Người ta tin có hịn đảo mà tồn tạo loadstone, có từ tính nên chúng hút tàu bè sắt qua lại, làm chúng biến cách bí ẩn Truyền thuyết cho rằng, Archimedes (287 - 212 TCN) sử dụng từ tính loadstone để rút cốt sắt khỏi tàu đối phương làm chìm Ở phương Đông, Trung Hoa nơi sớm sử dụng đá nam châm, từ thời đại Chu Công (thời đại nhà Chu, 1122 - 256 trước Công nguyên) người ta biết sử dụng làm kim nam để phương Nam-Bắc Cuốn sách thức ghi lại việc sử dụng đá nam châm “Quỷ Cốc tử” (鬼谷子 , thầy dạy Tôn Tẫn) vào kỷ thứ TCN Đến cuối kỷ thứ XI, đầu TK thứ XII việc sử dụng kim nam châm làm la bàn định hướng hàng hải trở nên phổ biến -1- La bàn cổ Peter Peregrinus (người Pháp) tiến hành nhiều thí nghiệm vật liệu từ Năm 1269 ông xuất cơng trình nghiên cứu tính chất nam châm ghi nhận nỗ lực khoa học tách thực tế khỏi mê tín dị đoan Nó xem báo cáo "khoa học" nam châm tác phẩm có ảnh hưởng rộng lớn Tuy nhiên, tiến đáng kể cơng trình William Gilbert (1544 - 1603, nhà vật lý học, bác sĩ triết học tự nhiên người Anh) Ông nhà khoa học lớn Anh châu Âu thời kỳ Phục hưng Năm 1600 Ơng cơng bố tác phẩm “Luận nam châm” Trong tác phẩm này, Gilbert tổng hợp hiểu biết người điện từ từ thời nguyên thủy đến thời kỳ Phục hưng Đồng thời, ơng trình bày thí nghiệm để chứng tỏ lý thuyết việc Trái Đất nam châm khổng lồ Ông người tạo nam châm từ vụn sắt phát làm vật từ tính nhiệt Năm 1743, Daniel Bernoulli (1700-1782, Nhà toán học người Hà Lan) người đưa ý tưởng tạo nam châm có hình móng ngựa mà vào thời trung cổ trở thành biểu tượng ngành khoa học kỹ thuật Nam châm hình móng ngựa chế tạo thép cácbon (Fe3C), sau thép coban thép volfram Nam châm tương đối yếu với tích lượng (BH)max ~ MG.Oe (tích lượng đại lượng đánh giá sức mạnh nam châm vĩnh cửu), để có nam châm với sức mạnh vừa phải người ta phải dùng lượng lớn kim loại Năm 1820, Hans Christian Oersted (1777-1851), người Đan Mạch) phát tượng kim la bàn bị lệch hướng đặt gần dây dẫn mang dịng điện Thí nghiệm coi bước ngoặt lịch sử ngành từ học, đặt tên Thí nghiệm Oersted Sau Oersted, hàng loạt nhà khoa học tiến hành thí nghiệm cơng trình nghiên cứu mối quan hệ điện trường từ trường thí nghiệm André-Marie Ampère, Carl Friedrich Gauss, Michael Faraday, dẫn đến việc hình thành kiến thức từ học từ trường James Clerk Maxwell (1831-1879, người Scotland) thiết lập mối quan hệ điện từ, ông công bố loạt phương trình đơn giản sở cho lý thuyết điện từ ngày Điều đáng ý Maxwell phát triển ý tưởng vào năm 1862, ba mươi năm trước J Thomson (năm 1897) phát điện tử, hạt vốn tảng cho hiểu biết điện từ tính Vào đầu năm 1900, nhà khoa học bắt đầu nghiên cứu vật liệu từ tính khác với sắt thép Vào năm 1930, nhà nghiên cứu sản xuất nam châm vĩnh cửu AlNiCo (là hợp kim gồm nhôm, niken coban) mạnh mẽ (BH)max khoảng 4,45-5,5 MG.Oe Năm 1966, nam châm đất chế tạo từ Samari Coban (SmCo5) có (BH)max đạt 18 MG.Oe Năm 1972, vật liệu phát triển với (BH)max cao 30 MG.Oe (Sm2Co17) Năm 1983, công ty General Motors, Sumitomo Special Metals Viện Hàn lâm -2- Khoa học Trung Quốc phát triển sản phẩm có (BH)max cao 35 MG.Oe từ hợp chất Neodym-sắt-Boron (Nd2Fe14B), gọi nam châm NEO nam châm đất Vai trò vật liệu từ ngày quan trọng, chúng gần có mặt thiết bị cơng nghệ tiên tiến mà sử dụng máy tính, xe tơ, máy phân tách, máy phát điện, loa, điện thoại di động v.v Thế kỷ 20 kỷ mà từ học phát triển mạnh mẽ, từ việc tạo vật liệu từ đa chức đến xây dựng lý thuyết vi mô tượng từ dựa lý thuyết học lượng tử vật lý chất rắn lý thuyết vi từ học, lý thuyết đômen từ, vách đômen, vật liệu sắt từ, tương tác trao đổi, phản sắt từ, Đi kèm theo phát triển nhiều kỹ thuật chụp ảnh cấu trúc từ đo đạc tính chất từ vật liệu Cuối kỷ 20, đầu kỷ 21, ngành với nhiều ứng dụng spintronics (điện tử học spin) đời Đây ngành nghiên cứu dựa thành tựu từ học điện tử học, nhằm tạo linh kiện dựa việc điều khiển spin điện tử Hình 1.1 biểu diễn phát triển vật liệu từ cứng (dùng làm nam châm vĩnh cữu) qua thập niên Với tiến khám phá vật liệu mới, thấy rằng, lượng từ kích thước nam châm giảm mạnh Hình 1.1 Sự phát triển vật liệu từ 1.2 Một số khái niệm từ tĩnh 1.2.1 Tương tác hai cực từ Giữa điện học từ học có nhiều khái niệm tương đồng Tuy nhiên, khác với điện học, từ học khơng có khái niệm từ tích (đơn cực từ, magnetic monopole) Cụ thể, ta cắt nam châm có hai cực nam-bắc thành hai phần phần có hai cực nam-bắc Nếu tiếp -3- Hình 1.2 Khi bẻ gẫy nam châm thành nhiều mảnh mảnh lại trở thành nam châm riêng biệt với cực nam (S) cực bắc (N) tục chia nhỏ phần nhỏ có hai cực nam-bắc Ta xem đầu nam châm dài so với tiết diện đơn cực từ (gọi tắt cực từ) Cường độ cực từ ký hiệu p Quy ước: cực nam p < 0, cực bắc p > Lực tương tác hai cực từ tỷ lệ với sức mạnh cực (cường độ) gọi p1 p2, tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách chúng F p1p r2 Fk Hay p1p r2 Tương tác cực từ Trong đó, k hệ số tỷ lệ Giá trị đơn vị k cực từ khoảng cách phụ thuộc vào việc chọn hệ đơn vi, Trong hệ SI, k  0 nên biểu thức có dạng 4 F 0 p1.p 4 r (1.1) đó, µ0 = 4.10-7 H/m độ từ thẩm chân không, r khoảng cách hai cực từ, đơn vị m Đơn vị F N, đơn vị p A.m Đơi người ta cịn viết (1.1) dạng F p1.p 40 r (1.2) Biểu thức có dạng giống biểu thức lực tương tác Coulomb hai điện tích q1 q2 F q1.q 40 r Lưu ý rằng, để có (1.2) (1.1) ta thay p1  op1 p2  op2, đơn vị p1 p2 trường hợp wb Trong phần sau ta sử dụng cơng thức (1.1), có nghĩa sử dụng p1 p2 với đơn vị A.m Trong hệ CGS k = nên biểu thức có dạng F p1p r2 (1.3) Trong hệ đơn vị này, cực từ khơng có đơn vị, đơn vị r cm, đơn vị F dyn 1.2.2 Từ trường Xét tương tác hai cực từ p1 > p2 > 0, từ Pt (1.1) ta biến đổi sau -4- F 0 p1.p2  p   0   p2  0 Hp2 4 r  4r  (1.4) Với H p1 4r (1.4) cho thấy cực từ p2 chịu tác dụng lực Lực trường cực từ p1 sinh ra, ký hiệu H Trường lực cực từ p1 sinh gọi từ trường Đơn vị cường độ từ trường hệ SI A/m Ở ta xét p1 > p2 > 0, trường hợp p1, p2 dấu ngược lại, ngược dấu biến đổi tương tự Từ trường trường véctơ Hướng từ trường thay đổi theo dấu cực từ (tương tự điện trường gây điện tích) Từ trường sinh cực bắc (p > 0) có hướng hướng cực từ, ngược lại, từ trường sinh cực nam (p < 0) có hướng hướng vào Tóm lại, cực từ cường độ p đặt từ trường H chịu tác dụng lực F  pH (1.5) Nhận xét rằng: cực nam (p < 0) đặt từ trường H chịu tác dụng lực F ngược chiều với từ trường Đối với cực bắc (p > 0) ngược lại Đơn vị cường độ từ trường hệ SI A/m Trong vật lý từ trường định nghĩa môi trường vật chất bao quanh hạt mang điện chuyển động Trong kỹ thuật người ta định nghĩa từ trường cách đơn giản hơn: từ trường khoảng khơng gian mà cực từ chịu tác dụng lực Từ trường gây dòng điện chạy dây dẫn, chẳng hạn Hình 1.3 -5- dịng điện chạy dây dẫn thẳng cuộn dây solenoid (Hình 1.3a), cực từ (Hình 1.3b) Khi dịng điện chạy cuộn dây solenoid dài nhỏ ta xem từ trường lịng cuộn dây từ trường (Hình 1.3a) Cường độ từ trường xác định bởi: H = nI (hệ SI) (1.6a) đó, n số vịng dây đơn vị chiều dài, I cường độ dòng điện Hướng từ trường xác định theo quy tắc nắm tay phải Ta viết lại (1.6) theo dạng H I.N L (1.6b) đó, N số vòng cuộn dây L chiều dài cuộn dây Đơn vị H hệ SI là: A/m Lưu ý: Trong (1.6) đáng lẻ đơn vị H A nhân với (số vòng/m) Tuy nhiên ta xem n vịng vịng với cường độ dịng điện nI, đơn vị trường hợp A/m Cường độ từ trường số nguồn từ cho Bảng 1.1 Chú ý cảm ứng từ (mật độ từ thông) chân không liên hệ với cường độ từ trường theo biểu thức B  0H , hệ SI đơn vị B Wb/m2 hay T (tesla) người ta thường dùng đơn vị T cho cường độ từ trường Bảng 1.1 Cường độ từ trường nguồn khác Cường độ từ trường (T)  3.10-10 Vị trí, thiết bị Từ trường tạo thể người Từ trường trái đất 3.10-5 - 5.10-5 Từ trường gần dây dẫn gia đình  10-4 Từ trường bề mặt mặt trời  10-2 Từ trường bề mặt nam châm Nd-Fe-B  0,4 Từ trường thiết bị cộng hưởng từ (MRI) Từ trường tạo cuộn dây siêu dẫn PTN Từ trường xung (100 ns) - 20 60 1.2.3 Lực tác dụng từ trường Như xét trên, cực từ cường độ p đặt từ trường cường độ H chịu tác dụng lực F xác định bởi: F  pH (1.7) Trong hệ SI, đơn vị p A.m, H (A/m), F (N) Nếu p > (cực bắc) lực tác dụng hướng với từ trường ngược lại -6- 1.2.4 Mômen từ Khi cho dịng điện chạy vịng dây dẫn kín sinh từ trường Từ trường đặc trưng đại lượng gọi mômen từ, ký hiệu m , xác định m  IS (1.8) Hình 1.4 Mơmen từ m sinh dịng điện I chạy dây dẫn kín: a) dịng điện chạy ngược chiều kim đồng hồ, m hướng lên; b) ngược lại, m hướng xuống đó, I cường độ dịng điện chạy trọng vịng dây kín, S véctơ diện tích có độ lớn diện tích vịng dây, hướng xác định theo quy tắc nắm tay phải Lưu ý từ trường sinh có dịng điện chạy vịng dây kín giống từ trường sinh nam châm nên xem nam châm xác định mômen từ (Hình 1.6) Nếu cường độ cực từ p > (cực bắc) – p (cực nam) cách khoảng l nam châm xác định mơmen từ mp đó, p cường độ cực từ, véctơ hướng từ cực nam đến cực bắc Trong hệ SI đơn vị mômen từ A.m2 Trong hệ CGS đơn vị mômen từ emu (electromagnetic unit) Ở ta biết, cực từ đặt từ trường chịu tác dụng lực Như vậy, đặt mơmen từ (hay nam châm) từ trường cực nam chịu tác dụng lực F2, cực bắc chịu tác dụng lực F1, hai lực độ lớn ngược chiều, tức mômen từ chịu tác dụng ngẫu lực (Hình 1.5) Ngẫu lực có xu hướng xoay mơmen từ theo hướng từ trường H Hình 1.5 1.2.5 Lưỡng cực từ, lượng lưỡng cực từ từ trường 1.2.5.1 Lưỡng cực từ (hay mômen lưỡng cực từ) Lưỡng cực từ cách gọi mômen từ chiều dài nam châm diện -7- đồ thị ta xác định giá trị B mà (BH) đạt (BH)max cho thấy tích BH thay đổi theo B đường cong khử từ, đạt giá giá trị lớn (BH)max giá trị xác định B, gọi tích lượng cực đại Để sử dụng vật liệu hiệu nhất, nam châm phải có hình dạng cho đường tải qua điểm ứng với (BH)max Đại lượng (BH)max thường dùng làm tham số đánh giá chất lượng vật liệu từ cứng Trong vật liệu thương mại, tham số Các đường cong khử từ NCVC thường trình bày đồ thị, đường BH vẽ nhạt Hình 8.4 Sau đó, người ta xác định giá trị gần (BH)max vị trí điểm nằm đường cong khử từ Đơn vị (BH)max MGOe theo đơn vị cgs, kJ/m3 hệ đơn vị SI Điểm hoạt động nam châm phụ thuộc vào độ dốc đường tải, phụ thuộc vào hệ số khử từ Nd Một đại lượng khác xác định độ dốc đường tải tỷ số Bm/Hm, gọi hệ số thấm (permeance coefficient) Từ công thức 8.2 8.3 ta có: Bm A g  Hm Am m (8.5) g Hình 8.4 Đường cong khử từ (biểu đồ) hai vật liệu NCVC Biểu đồ thể đường đồng mức tích (BH) Vật liệu có (BH)max khoảng MGOe; (BH)max vật liệu MGOe 130 Vịng có khe (Hình 8.2), giống hầu hết tất mạch từ, lý tưởng hóa đáng kể Các phép tính khơng bị bỏ qua phần mở rộng rìa khe mà cịn bỏ qua rị rỉ từ thơng từ mặt nam châm Hai điều minh họa riêng biệt Hình 8.5 Sự rị rỉ gây ảnh hưởng lớn Rất khó định lượng rị rỉ này, chương trình mơ hình hóa máy tính cho phép nhập thuộc tính vật liệu thực ngày hiệu quả, người thiết kế thường định lượng theo kinh nghiệm Về mặt hình thức, ảnh hưởng tính đến cách đưa vào Pt thiết kế (8.3) hệ số rò rỉ C1 C2: C1Hg Ag  Bm Am (8.6) C2Hg (8.7) g  Hm m Khi xử lý vật liệu từ có lực kháng từ cao, khác biệt đồ thị B(H) M(H) trở nên quan trọng Nhớ B định nghĩa B = 4M + H (cgs) B = 0(M + H) (SI) Đối với vật liệu từ mềm, H nhỏ so với M nên dạng đồ thị B(H) gần giống dạng đồ thị M(H) Ví dụ, từ trường tối đa áp dụng để đo mẫu vịng hợp kim Ni-Fe 100 Oe (0,01 T) mật độ thông lượng bão hòa gần 10.000 G (1 T) Trong trường hợp này, từ trường H đóng góp khơng q 1% mật độ từ thông B Đối với vật liệu từ cứng, H lớn nên khác biệt đáng kể, vật liệu alnico, có lực kháng từ tương đối thấp, đồ thị B(H) khác đáng kể so với đồ thị M(H) [Chú ý đơn vị: đơn vị cgs, thông thường vẽ đồ thị B theo gauss kilogauss, M 4M, có đơn vị với B Từ trường H vẽ theo đơn vị oersted, giá trị gauss khơng khí Do đó, B, M H vẽ theo đơn vị Trong SI, B 0M vẽ theo đơn vị tesla, H vẽ dạng 0H, tesla Các đơn vị từ trường A/m thường không sử dụng tài liệu nam châm vĩnh cửu.] Hình 8.5 Nam châm vịng cho thấy: (a) viền ngồi khe (b) thơng lượng rị rỉ 131 Hình 8.6 đường cong khử từ alnico ferit cứng, thể đồ thị B(H) 4M(H); khác biệt rõ ràng, đặc biệt trường hợp ferit cứng Cụ thể, lực kháng từ cần có để giảm B 0, thường kí hiệu Hc, thấp đáng kể so với lực kháng từ cần thiết để giảm M 0, thường kí hiệu Hci, gọi lực kháng từ nội Lưu ý đường cong gặp Br, H khơng Hình 8.6 cho thấy ưu nhược điểm tương đối hai vật liệu: alnico có từ tính cao lực kháng từ thấp, ferit cứng có độ từ hóa thấp lực kháng từ cao Hình 8.6 Đường cong khử từ AlNiCo ferit cứng Đường liền nét đường B(H); đường đứt nét đường 4M(H) Lưu ý khác biệt Hc Hci trường hợp ferit cứng Nhiều vật liệu từ thể đặc tính mà trước chưa biết đến, độ từ dư không thay đổi độ lớn áp dụng từ trường H âm tăng dần đến giá trị lớn đáng kể so với Hc Đường cong B(H) trở thành đường thẳng qua điểm Br Hc = Br (Hình 8.7) Độ từ hóa đảo ngược đột ngột từ trường Hci, từ trường lớn đáng kể so với Hc Trong trường hợp này, (BH)max xác định bởi: Bm H m B2m  2 , (8.8) khơng phụ thuộc vào Hci Với hầu hết mục đích sử dụng NCVC, Hci lớn nhiều so với Hc khơng có lợi, nam châm có giá trị Hci cao khó từ hóa, quy tắc chung Trong số ứng dụng, đặc biệt động nam châm vĩnh cửu, phận nam châm chịu trường khử từ lớn từ dòng điện cuộn dây từ vật liệu 132 từ mềm bị nhiễm từ, hai Nếu trường đủ lớn, chúng gây khử từ vĩnh cửu đáng kể vật liệu nam châm vĩnh cửu, cần phải thay đổi thiết kế để xác định vị trí điểm hoạt động tĩnh trường thấp so với trường sản phẩm lượng cực đại 8.3 Thép nam châm Vào cuối năm 1800, thép hợp kim phát triển cho cơng cụ cắt cho mục đích kết cấu, sau đặc tính từ tính thép hợp kim Hình 8.7 Trường hợp lực kháng từ Hci cao bắt đầu quan tâm Đến năm 1885, Độ từ hóa khơng thay đổi từ trường âm loại thép chứa khoảng 5% vonfram nhỏ Hc, Hc = Br (cgs) sử dụng làm NCVC Sau đó, thép nam châm thay thép crom có giá thành rẻ Khơng loại loại thép nam châm có lực kháng từ đạt đến 100 Oe (8 kA/m) Tiến thực vào năm 1917 nhà nghiên cứu Nhật Bản Honda Takagi, họ tìm thấy rằng, thép chứa 30–40% coban, cộng với vonfram crom, có lực kháng từ 230 Oe Đây loại thép nam châm tốt nhất, có tích lượng đạt tới MGOe (8 kJ/m3) Ngày nay, thép nam châm khơng cịn sản xuất sử dụng có nhiều vật liệu tốt Các loại thép nam châm giá rẻ tính từ cứng kém, ngược lại, loại thép tốt tương đối đắt hàm lượng coban cao 8.4 Alnico Alnico tên chung cho họ hợp kim chứa lượng đáng kể ba kim loại sắt từ Fe, Co Ni, với lượng nhỏ Al, Cu nguyên tố khác Tên gọi xuất phát từ ký hiệu hóa học nhôm, niken coban, tất alnico có sắt thành phần Đã có thời chúng NCVC sử dụng rộng rãi, phần lớn thay nam châm sắt hợp kim kim loại chuyển tiếp-đất Alnico có nhiệt độ Curie tương đối cao, đó, phụ thuộc từ tính vào nhiệt độ tương đối nhỏ, lợi lớn số ứng dụng Alnico phát triển từ năm 1931, Mishima (người Nhật) phát rằng, hợp kim gồm 58% Fe, 30% Ni 12% Al có lực kháng từ 400 Oe, gần gấp đôi so với thép nam châm tốt Người ta sớm phát rằng, bổ sung vào hợp kim Mishima lượng nhỏ Co Cu tính chất hợp kim cải thiện Các alnico thép Về bản, chúng không chứa cacbon chế tạo tính từ cứng chúng hoàn toàn khác so với thép Tất alnico cứng giòn Tất sản xuất cách đúc hợp kim lỏng cách ép nung kết bột kim loại Các hợp kim đúc có hạt thơ, đường kính khoảng mm Các hợp kim thiêu kết có hạt mịn hơn, bền mặt học, độ hoàn thiện bề mặt tốt từ tính Chúng thường giới hạn sử dụng làm 133 nam châm nhỏ dạng hình trụ, hình dạng thuận lợi với cơng đoạn ép Các đặc tính từ cứng alnico đúc nung kết Để cải thiện tối ưu đặc tính từ, ba giai đoạn xử lý nhiệt sau cần thiết: Nung nóng đến 1250 0C thời gian đủ lâu để tạo dung dịch rắn đồng Làm nguội với tốc độ từ 18 oC/s đến khoảng 500 oC thấp Nung nóng (ủ) 600 oC vài Hầu hết alnico làm nguội (bước trên) từ trường kOe trở lên, giữ từ trường khoảng 10–20 phút nhiệt độ khoảng Xử lý từ trường có tác dụng làm tăng độ từ dư đo theo hướng từ trường áp dụng làm tăng nhẹ lực kháng từ Bước ủ nhiệt (bước 3) khơng có diện từ trường Tính từ cứng alnico kết tính dị hướng hình dạng đơn hạt Quá trình ủ nhiệt cuối (bước 3) làm tăng khác biệt độ từ hóa hai pha, , làm tăng tính dị hướng Nghiên cứu alnico phần lớn kết thúc vào khoảng năm 1970, đặc tính đáng ý hợp chất kim loại chuyển-đất phát Các thuộc tính alnico cải thiện chút kể từ thời điểm 8.5 Ferit bari stronti Ferit bari, cơng thức BaO.6Fe2O3, có cấu trúc tinh thể kiểu lục giác, tính dị hướng từ tinh thể đơn trục lớn, trục c trục dễ số dị hướng tinh thể K = 3,3.106 ergs/cm3 (330 kJ/m3) Giá trị Ms thấp, khoảng 380 emu/cm3 (380 kA/m) Nhiệt độ Curie 450 0C Ferit Stronti, cơng thức SrO.6Fe2O3, có cấu trúc tinh thể tính chất gần giống ferit bari, ngoại trừ số dị hướng tinh thể K có phần lớn Ferit bari phát triển thành vật liệu nam châm thương mại vào năm 1952 Hà Lan Công ty Philips, gọi Ferroxdure Một số tên thương mại khác sử dụng, sáng chế hết hạn, vật liệu thường gọi chung nam châm gốm (ceramic magnet) nam châm ferit (ferrite magnet) Thành phần thường không định, đặc tính tốt giá cao thường nhiều stronti Sau này, thuật ngữ “ferit bari” hiểu vật liệu hỗn hợp Đôi thuật ngữ chung hexaferrite sử dụng cho hai vật liệu 134 Hình 8.8 Ảnh chụp ferit bari thiêu kết với hạt có định hướng (a) Mặt cắt pháp tuyến trục c; (b) mặt cắt song song với trục c Ferit bari chế tạo theo phương pháp giống ferit mềm Bari cacbonat trộn với Fe2O3 nung khoảng 1200 oC để tạo thành ferit Vật liệu sau nghiền bi để giảm kích thước hạt, ép khô khuôn thiêu kết khoảng 1200 oC Nam châm thu có kích thước hạt khoảng mm giòn Các lớp dị hướng tạo cách ép ướt từ trường để chỉnh trục c hạt với từ trường dọc theo trục nén Sản phẩm thường nam châm hình trụ với trục dễ song song với trục hình trụ Hình 8.8 cho thấy cấu trúc vi mô mẫu vật hạt thô với hạt hướng từ trường Ferit bari thường kết tinh dạng phẳng với mặt phẳng sở ô đơn vị song song mặt trục c vng góc với bề mặt Bari ferit có tính từ cứng tính dị hướng tinh thể Nếu dạng hạt đơn đơmen thẳng hàng, hình cầu, lực kháng từ nội là: 2K 2(3,3.106 ) H ci  H k    17.000 Oe Ms 380 (cgs) (8.9)  H ci   HK  1,7 T (SI) Trong thực tế, hạt có dạng tạo tính dị hướng dạng Điều bất lợi trục dễ hình dạng vng góc với trục dễ tính dị hướng từ tinh thể Đối với hạt cô lập, hiệu ứng dạng làm giảm Hci lượng từ 4800 Oe đến giá trị khoảng 12.000 Oe; nam châm thương mại có độ xốp 5–10%, mức giảm gần không nhiều, lỗ rỗng nguồn gốc trường khử từ bên Giá trị lớn (BH)max nam châm ferrite thương mại khoảng 3,5 MGOe (28 kJ/m3) không tăng đáng kể nhiều năm 8.6 Nam châm đất Nhiều nguyên tố đất (số khối từ 59 đến 70) sắt từ có tính dị hướng từ tinh thể mạnh, tất có nhiệt độ Curie thấp nhiệt độ phòng Chúng tạo thành loạt hợp chất liên kim loại với nguyên tố chuyển tiếp Fe, Co Ni Nhiều hợp chất có nhiệt độ Curie cao nhiệt độ phịng Các hợp chất có xu hướng giữ lại tính dị hướng mạnh nguyên tố đất (phát sinh lớp vỏ electron 4f), nguồn gốc tính chất nội nguyên tử vào môi trường xung quanh Tính chất thường gọi dị hướng đơn ion Hợp chất nhận quan tâm rộng rãi từ năm 1966, KJ Strnat G Hoffer thuộc Phịng thí nghiệm Vật liệu Khơng qn Hoa Kỳ báo cáo rằng, YCo5 có số dị hướng 5,5.107 ergs/cm3 (5,5.106 J/m3), chưa có hợp chất có giá trị lớn Kể từ đó, loạt hợp chất đất hiếm/kim loại chuyển tiếp nghiên cứu, đặc trưng như: cấu trúc tinh thể, tính từ hóa, dị hướng nhiệt độ Curie chúng định Để sử dụng làm vật liệu NCVC đặc tính cần thiết phải có là: tính dị hướng đơn trục phải dương cao, tạo trục dễ từ hóa mặt phẳng dễ từ hóa, nhiệt độ Curie cao nhiệt độ phịng, độ từ hóa bão hịa phải cao hợp lý Chi phí thấp, tính chất học tốt khả chống ăn mòn điều mong muốn Ba họ vật liệu NCVC tiếng là: SmCo5, Sm2Co17 Nd2Fe14B NdFeB Mỗi loại số chúng vượt trội nhiều so với tất NCVC biết trước đây, 135 (BH)max cao gấp 10 lần so với alnico ferit tốt 8.6.1 SmCo5 Hợp chất có cấu trúc tinh thể lục giác số dị hướng khoảng 7,7.107 erg/cm3 (7,7.106 J/m3), với trục dễ dọc theo trục c ô đơn vị Phương pháp sản xuất nấu chảy đúc hợp kim, sau nghiền để tạo bột có kích thước hạt gần 10 mm, hạt đơn tinh thể SmCo5 Bột chỉnh từ trường cho trục dễ tất hạt song song nhau, sau nén khuôn Thông thường việc chỉnh nén thực máy Cuối cùng, bột nén thiêu kết nhiệt độ 1000 oC để tạo thành nam châm Để có mật độ cao từ tính tốt, lượng nhỏ bột tạo với hàm lượng Sm dư thêm vào trước nén Vật liệu nóng chảy nhiệt độ thiêu kết, hỗ trợ nhiều việc đạt mật độ cao Quá trình gọi thiêu kết pha lỏng Kích thước hạt bột trước thiêu kết tương ứng với kích thước hạt sau thiêu kết, lớn kích thước tính tốn lý thuyết hạt đơn đơmen bậc Vì vậy, thực tế khơng phải nam châm hạt đơn đômen, ban đầu chúng phát triển sở lý thuyết đơn đơmen Nam châm SmCo5 có đặc tính khác thường hữu ích là: ban đầu chúng từ hóa trường nhỏ nhiều so với lực kháng từ nội (Hci) Tính chất minh họa Hình 8.9 Kinh nghiệm cho thấy, NCVC, từ trường cần thiết để từ hóa vật liệu lớn nhiều lần so với lực kháng từ; Điều rõ ràng khơng SmCo5 Tính chất lợi sản xuất, việc tạo từ trường lớn nhiều lần so với lực kháng từ khó khăn tốn hợp chất Hình 8.9 Minh họa đường cong từ hóa khử từ SmCo5 Hiện tượng dễ từ hóa khó khử từ hiểu hạt nam châm chuẩn bị sẵn có chứa thành miền chuyển động tương đối dễ dàng trường ứng dụng; điều cho phép nam châm từ hóa đến bão hịa trường tương đối thấp Một hạt bão hòa từ tính, thành miền bị đẩy ngồi, việc đảo ngược từ hóa địi hỏi tạo mầm miền ngược mới, có rào cản mạnh mẽ tạo mầm Khi đạt đến trường tạo mầm, trường đủ cao để dẫn động tường miền hoàn toàn xuyên qua hạt chuyển sang trạng thái bão hòa theo hướng ngược lại Một nam châm hoạt động theo cách cho thể lực kháng từ điều khiển tạo mầm Nam châm SmCo5 nam châm đạt tích lượng 20 MGOe (160 kJ/m ), ngày chúng chế tạo sử dụng 8.6.2 Sm2Co17 136 Kí hiệu Sm2Co17 viết tắt họ hợp kim có thành phần phức tạp biểu thị công thức Sm2(Co, Fe, Cu, Zr)15 Chúng có vi cấu trúc tốt, bao gồm vùng pha Sm2Co17 phân cách lớp pha SmCo5 Lực kháng từ cao trường hợp kết việc ghim vách đơmen thay tạo mầm; điều thực tế rằng, từ trường lớn lực kháng từ cần thiết cho từ hóa ban đầu Phương pháp sản xuất giống SmCo5, ngoại trừ cần có bước xử lý nhiệt phức tạp để phát triển cấu trúc vi mô cần thiết Một số phương pháp sản xuất thay phát triển để tạo hợp chất đất hiếm/kim loại chuyển tiếp Một số phương pháp kết hợp việc khử oxit đất Sm2O3 với việc đưa Co vào, thường sử dụng Ca làm chất khử Đây gọi trình khử/khuếch tán Một biến thể khác sử dụng hydro để sản xuất bột Các hợp chất đất có đặc điểm hấp thụ lượng lớn hydro áp suất nhiệt độ gần nhiệt độ phòng, dẫn đến thay đổi cấu trúc tinh thể Hydro loại bỏ dễ dàng cách giảm áp suất, kết trình biến đổi pha ngược chuyển vật liệu thành dạng bột mịn Điều gọi khử hydro 8.6.3 FeNdB Những nỗ lực tìm kiếm vật liệu NCVC tốt và/hoặc rẻ dẫn đến hai khám phá đồng thời Fe14Nd2B: là, tinh thể có cấu trúc tứ giác (là cấu trúc chưa biết đến trước vật liệu từ), tính dị hướng đơn trục mạnh nhiệt độ Curie 300 oC Nam châm chế tạo phương pháp giống phương pháp sử dụng cho SmCo5 Công ty Sumitomo Special Metals Nhật Bản công bố vào năm 1984; hai là, nam châm có thành phần gần giống chế tạo kỹ thuật nguội nhanh, giống phương pháp sử dụng cho hợp kim vơ định hình, cơng bố General Motors Corp Các tranh chấp sáng chế rộng rãi phức tạp xảy sau đó, hai sản phẩm sản xuất thương mại quy mô lớn thay nguyên liệu Sm-Co mức độ lớn FeNdB rẻ Fe rẻ Co, Nd rẻ Sm, FeNdB chứa tương đối đất Như nói trên, FeNdB chế tạo quy trình thiết bị tương tự Sm-Co, điều giúp cho việc áp dụng nhanh chóng Để làm tăng nhiệt độ Curie cải thiện độ ổn định nhiệt độ thêm vào lượng Co thay cho Fe Một số Nd thay đất nặng, thường dysprosi, để tăng lực kháng từ, điều làm giảm độ từ hóa Thường hai thêm vào Nam châm FeNdB phổ biến có (BH)max từ 20 đến 40 MGOe, với yêu cầu ứng dụng đặc biệt, người ta chế tạo nam châm có (BH)max cao 50 MGOe (nhân giá trị với 7,96 để có đơn vị SI kJ/m3) FeNdB vật liệu lựa chọn yếu tố kích thước nhỏ quan trọng nhiều thiết bị liên quan đến máy tính Phương pháp nguội nhanh tạo FeNdB trạng thái vơ định hình phần hồn tồn, sau ủ nhiệt để tạo vật liệu tinh thể mịn Nó nghiền thành mảnh thơ, sau ép nóng đến mật độ mong muốn Vì mảnh có nhiều hạt 137 định hướng ngẫu nhiên nên nam châm tạo theo cách có tính đẳng hướng Có thể chỉnh trục dễ trình biến dạng nóng gọi dập khn (dieupsetting) Theo đó, mẫu hình trụ đặt khn có đường kính khoảng hai lần đường kính mẫu, mẫu nén nhiệt độ khoảng 725 oC để vật liệu lấp đầy khuôn Sau bước xử lý này, trục dễ chủ yếu chỉnh song song với trục nén Nhược điểm họ FeNdB nhiệt độ Curie tương đối thấp (gần 300 oC), có nghĩa từ tính chúng phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ gần nhiệt độ phòng dễ bị ăn mịn mơi trường ẩm Vấn đề ăn mòn khắc phục cách sử dụng lớp phủ kim loại phi kim loại Các tính chất ba loại vật liệu NCVC đất thể Hình 8.10 Chúng so sánh với nam châm alnico ferit cứng thể Hình 8.6 Nam châm ngày (trừ alnico) chế tạo sử dụng dạng đĩa từ hóa theo chiều dày, lực kháng từ đủ lớn để chống lại trường khử từ lớn liên quan đến hình dạng Nam châm Alnico cần từ hóa dọc theo chiều dài chúng, để trường khử từ tương đối nhỏ Nói cách khác, hệ số thấm Bm/Hm điểm (BH)max khoảng nam châm bari ferit nam châm đất hiếm, so với khoảng 20 nam châm đất Alnico Rõ ràng giá trị cao nhiều so với alnico ferit, thay chúng hồn tồn ngoại trừ chi phí cao Hình 8.10 Đường cong khử từ NCVC đất điển hình Một tham số quan trọng mà không hiển thị đường cong khử từ nhiệt độ Curie Tham số quy định phụ thuộc nhiệt độ đặc tính từ tính gần nhiệt độ phịng Alnico có nhiệt độ Curie cao nhất, hệ số nhiệt độ Br thấp 8.7 Nam châm đàn hồi trao đổi (exchange-spring magnets) 138 Nam châm loại đàn hồi trao đổi đề xuất vào năm 1991 E Kneller R Hawig, tác giả cho khoảng trống hạt có lực kháng từ cao NCVC hạt mịn lấp đầy vật liệu có độ từ hóa cao, lực kháng từ thấp (như sắt hợp kim sắt coban), có tương tác trao đổi hai loại vật liệu, kết có vật liệu có đặc tính hai loại, tức là, độ từ hóa lực kháng từ cao đáng kể, có tích lượng cao so với vật liệu hạt mịn ban đầu Một điều kiện lớp từ mềm phải đủ mỏng để khơng có hình thành vách đômen Bài báo ban đầu gọi tên loại nam châm nam châm đàn hồi trao đổi (exchange-spring magnet); thuật ngữ nam châm tương tác trao đổi (exchange-coupled magnet) sử dụng Đã có quan tâm đáng kể đến ý tưởng này, chưa có sản phẩm thương mại mang lại kết 8.8 Nam châm Nitrid Năm 1991, J M D Cooey H Sun báo cáo thêm nitơ vào Sm2Co17 để tạo mở rộng mạng tinh thể, làm tăng độ từ hóa, tính dị hướng nhiệt độ Curie Một số hợp chất bền Sm2Co17N3 Sự cải thiện thuộc tính đáng kể, loạt hoạt động nghiên cứu, ứng dụng, có kết Tuy nhiên, chưa có nam châm thương mại xuất Một trở ngại vật liệu không ổn định nhiệt độ thiêu kết thông thường 8.9 Nam châm vinh cữu dẻo (ductile pemanent magnets) Hầu hết vật liệu NCVC giòn, đến mức, tạo chúng cách đúc ép thiêu kết Nhưng có số hợp kim từ cứng đặc biệt có đủ độ dẻo để gia cơng nóng nguội thành dây, dạng khác Trong số này, Cunife (60% Cu, 20% Ni, 20% Fe) Remalloy Comol (68% Fe, 17% Mo, 12% Co) khơng cịn sản xuất Vicalloy II (52% Co, 38% Fe, 10% V), làm lạnh nhanh từ 1180 0C, có tính dẻo Sau tạo hình dạng mong muốn, xử lý nhiệt kết tủa vài 600 C, sau cứng giịn, với (BH)max khoảng 1,5 MGOe Một phiên khác Vicalloy, với nhiều vanadi để phát triển tính từ cứng nó, sử dụng ứng dụng ghi âm ngày đầu ngành công nghiệp Chromindur (61,5% Fe, 28% Cr, 10,5% Co) có đặc tính tương tự Vicalloy chứa coban Kết tủa hình thành phân hủy spinodal, địi hỏi phải làm lạnh chậm có điều khiển cẩn thận từ 680 oC Arnokrome (26–30% Cr, 7–10% Co, cân Fe) hợp chất có tính chất NCVC kiểm soát phạm vi rộng cách thay đổi xử lý nhiệt (BH)max hợp kim vài MGOe, thấp nhiều so với vật liệu NCVC khác Một ứng dụng cho vật liệu để kích hoạt hủy kích hoạt cảm biến từ tính sử dụng làm thẻ chống trộm (antishoplifting) 139 Platin coban Hợp kim CoPt vật liệu từ đắt sản xuất thương mại Giống hợp kim liệt kê trên, xử lý nhiệt để tạo dung dịch rắn pha, có tính dẻo, sau đó, xử lý nhiệt để phát triển cấu trúc hai pha có trật tự phần (BH)max đạt tới 10 MGOe Cho đến NCVC đất phát triển, CoPt NCVC tốt nhất, sử dụng thiết bị thu nhỏ máy trợ thính đồng hồ, số ứng dụng quân vũ trụ, nơi chi phí khơng phải vấn đề lớn Ngày sử dụng cho số mục đích đặc biệt khả chống ăn mịn tốt 8.10 Nam châm hạt đơn đômen nhân tạo (LODEX) Các loại alnico xử lý từ trường với đặc tính trội thực khoảng mười năm trước xuất báo kinh điển Stoner Wohlfarth vào năm 1948 hạt đơn đômen, việc quan sát trực tiếp vách đômen dịch chuyển vách, tức nhiều năm trước hiểu rõ chế từ hóa vật liệu từ Trên thực tế, khác với thơng thường lý thuyết định hướng cho thực nghiệm, ngược lại, phát triển alnico kích thích nhà lý thuyết tìm lời giải thích lực kháng từ cao Tuy nhiên, vào khoảng năm 1950, từ học có đủ hiểu biết lý thuyết hạt mịn phép nhà nghiên cứu, lần đầu tiên, tiến hành phát triển vật liệu nam châm tổng hợp Yêu cầu đặt phải tạo tập hợp hạt đơn đômen định hướng xếp kéo dài, ví dụ sắt phân tán ma trận thích hợp Bản thân hạt có tính dị hướng tinh thể khơng đáng kể, riêng hình dạng chúng dẫn đến lực kháng từ cao (Bảng 9.1) Không dễ để tạo hạt Việc phát triển ban đầu thực Pháp không thành công mặt thương mại, chủ yếu hạt tạo không đủ độ giãn dài Cuối cùng, vào năm 1955, L I Mendelsohn, F E Luborsky, T O Paine Công ty General Electricn Hoa Kỳ, công bố thành công việc phát triển nam châm hạt mịn Chúng sản xuất tên thương mại Lodex, gọi nam châm ESD (elongated single-domain, đơn đômen kéo dài) Chúng tạo phương pháp lắng động điện di (electrodepositing) sắt coban-sắt từ dung dịch nước vào catốt thủy ngân lỏng Các hạt tạo thành có gai (phân nhánh), sau biến đổi thành hình trụ gập ghềnh có đường kính khoảng 150-300 Ao phương pháp ủ nhiệt độ thấp Một loạt bước xử lý thay thủy ngân chì, nam châm cuối bao gồm hạt từ đơn đơmen ma trận chì Ngay dạng cuối cùng, nam châm mềm mặt học dễ dàng tạo hình cắt Lodex ví dụ điển hình mặt khoa học dẫn đường cho việc tạo sản phẩm hữu ích, nhiên, từ tính chưa đủ tốt (tích lượng cực đại khoảng 3,5 MGOe phiên dị hướng) để trở thành đối thủ cạnh tranh nam châm alnico ferit Mặt khác, nghiêm ngặt ngày tăng quy định môi trường việc sử dụng thủy ngân nguyên nhân chủ yếu khiến Lodex bị loại khỏi thị trường sau khoảng 25 năm sản xuất 8.11 Nam châm kết dính (bonded magnet) 140 Đối với nhiều ứng dụng, hữu ích nghiền vật liệu NCVC thành hạt tương đối mịn nhúng hạt vào ma trận nhựa, cao su chí hợp kim nóng chảy thấp Một vật liệu gọi nam châm kết dính (NCKD) Độ từ hóa NCKD khoảng nửa so với chất ban đầu bị pha lỗng ma trận khơng từ tính, nhiên, lực kháng từ phần lớn không thay đổi NCKD có ưu dễ tạo hình dạng phức tạp, chẳng hạn dạng ống (extruded tubes), thường tạo từ vật liệu ban đầu NCKD có loạt đặc tính học, bao gồm tính mềm, dẻo cao su Các dạng hình học phức tạp độ từ hóa thực cách áp dụng từ trường thích hợp vật liệu ma trận nóng bán lỏng, để hạt từ tính quay vật lý, cách áp dụng từ trường cao (thường từ trường xung) lên vật liệu kết dính hồn thiện Một ứng dụng sớm có giá trị NCKD miếng đệm gioăng cửa tủ lạnh Việc làm cho gioăng cửa linh hoạt có từ tính tạo gioăng kín khơng khí xung quanh tồn cửa, cửa khơng hồn tồn phẳng Vịng đệm từ tính đơn giản rẻ nhiều so với chốt mà thay thế, giảm đáng kể nguy trẻ bị mắc kẹt tủ lạnh Hầu hết NCKD dùng hạt ferit làm thành phần từ tính FeNdB thiêu kết thường nhiều lực kháng từ nghiền thành hạt nhỏ, có lẽ trình oxy hóa làm thay đổi tình trạng bề mặt, khơng thích hợp cho nam châm kết dính Tuy nhiên, NdFeB nguội nhanh khơng bị khuyết tật kích thước hạt nhỏ nhiều so với kích thước hạt mịn, hầu hết hạt khơng tiếp xúc với khơng khí 8.12 Các yêu cầu ứng dụng vật liệu từ cứng Yêu cầu NCVC ổn định, phải cung cấp từ thông khe hở khơng khí Điều kiện khơng khó đáp ứng nam châm hoạt động môi trường không thay đổi Tuy nhiên, nam châm thường xuyên bị ảnh hưởng yếu tố từ trường bên thay đổi nhiệt độ 8.12.1 Từ trường bên Đây thường vấn đề xảy nam châm alnico ferit cứng có lực kháng từ thấp Giả sử nam châm có đường khử từ điểm hoạt động a Hình 8.11a Từ trường ngồi làm tăng giảm từ trường tác dụng lên nam châm lượng H bao nhiêu? Nếu từ trường thay đổi từ Hd đên H1 quay lại lần nữa, điểm hoạt động di chuyển từ a sang b trở lại a dọc theo đường giật biểu thị Hình 8.11a Sự thay đổi cảm ứng từ B dịch chuyến thuận nghịch nhỏ, nam châm quay trở lại điểm hoạt động ban đầu Nhưng từ trường thực thay đổi từ Hđ sang H2 ngược lại, điểm hoạt động di chuyển từ a sang c sang d, gây giảm lớn cảm ứng từ Tuy nhiên, nam châm vị trí d, từ trường bên ngồi, tạm thời theo hai hướng, chuyển động qua lại cách thuận nghịch dọc theo đường giật qua d B thay đổi nhỏ tạm thời Điều gợi ý phương pháp để ổn định nam châm chống lại tác động từ trường bên ngồi Sau từ hóa, nam châm chịu trường khử từ tạm thời di chuyển 141 Hình 8.11 Tính ổn định NCVC điểm hoạt động từ a sang d Phương pháp làm tăng tính ổn định với thiệt hại cảm ứng từ giảm Từ trường xoay chiều thường ưu tiên từ trường chiều để ổn định nam châm xoay vòng vật liệu nhiều lần so với đường giật Vật liệu có đường cong khử từ Hình 8.11b ổn định trường khử từ đường giật có độ dốc với đường cong khử từ Hiện tượng khử từ vĩnh viễn xảy từ trường âm tiến tới giá trị lực kháng từ nội Hci, điều thường khó xảy Các nam châm ferit có lực kháng từ cao tất nam châm đất có đường cong khử từ tuyến tính Hình 8.11b 8.12.2 Sự biến đổi nhiệt độ Sự biến đổi nhiệt độ tạo hai hiệu ứng: thuận nghịch (reversible) không thuận nghịch (ỉreversible) theo cách khác Tính chất quan tâm thơng lượng Bd điểm hoạt động, tham số xác định thông lượng khe hở khơng khí Các biến đổi thuận nghịch Sự gia tăng nhiệt độ thường làm giảm Bd Ms K nói chung giảm theo nhiệt độ Nếu giá trị Bd trở lại giá trị ban đầu nhiệt độ trở lại giá trị ban đầu, Hình 8.12a, thay đổi thuận nghịch Các nhà sản xuất định nhiệt độ hoạt động tối đa cho vật liệu NCVC; nhiệt độ mà có thay đổi thuận nghịch xảy Hệ số nhiệt độ từ hóa quy định, áp dụng khoảng nhiệt độ nhiệt độ phòng nhiệt độ hoạt động tối đa Đại lượng quan trọng NCVC sử dụng môi trường nhiệt độ cao mui xe ô tô gần động phản lực Bảng 8.1 đưa số giá trị điển hình cho hệ số nhiệt độ thuận nghịch vật liệu NCVC thơng thường Giá trị FeNdB tương đối cao nhiệt độ Curie vật liệu gần 300 oC, giá trị alnico thấp nhiệt độ Curie cao 142 Các biến đổi khơng thuận nghịch Nếu Bd khơng trở lại giá trị ban đầu sau chu kỳ nhiệt độ, Hình 8.16b, biến đổi khơng thuận nghịch Có hai trường hợp phát sinh: từ hóa khơi phục giá trị ban đầu cách tái từ hóa, khơng thể Trong trường hợp thứ hai, số thay đổi vĩnh viễn cấu trúc vật liệu xảy nam châm phục hồi chu trình xử lý nhiệt hoàn chỉnh Trong trường hợp trước, người ta thấy rằng, mát Bd nhiệt độ không đổi lúc đầu xảy nhanh chóng, sau với tốc độ giảm dần, việc giữ vật liệu cao chút so với nhiệt độ hoạt động dự kiến tối đa vài ngày dẫn đến giảm Bd loại bỏ phần lớn thay đổi theo thời gian nhiệt độ thấp Hình 8.12 Ảnh hưởng nhiệt độ lên cảm ứng từ điểm hoạt động (a) thuận nghịch; (b) không thuận nghịch 8.13 Nhận xét chung Nói chung, phân VLTC thành hai loại theo vi cấu trúc: Các vật liệu NCVC sử dụng (alnico, ferit lục giác, hợp chất đất hiếm) coi nam châm hạt mịn, số trường hợp, hạt mịn 143 hạt đơn đômen Không hạt thường có kích thước vượt q giới hạn kích thước đơn đômen, mà quan sát trực tiếp cho thấy có diện vách đơmen bên hạt Sự cần thiết hạt nhỏ số lượng vùng tạo mầm hạt nhỏ giảm xuống, nữa, hạt cô lập mặt từ tính, dịch chuyển vách đơmen tự đảo ngược hướng từ hóa hạt Trong alnico, hạt kết tủa cho đơn đơmen, lực kháng từ chúng có nguồn gốc từ dị hướng hình dạng hạt Trong vật liệu NCVC thông thường khác, lực kháng từ phát sinh từ tính dị hướng tinh thể cộng với rào cản tạo mầm đômen SmCo5, rào cản chuyển động vách đômen Sm2Co17 kết hợp hai FeNdB Các tính chất vật liệu từ cứng phổ biến 144