VẬT LIỆU TỪ CỨNG NANOCOMPOSITE NdFeB

1 VẬT LIỆU TỪ CỨNG NANOCOMPOSITE NdFeB 1. Mở đầu Vật liệu từ cứng NdFeB bắt đầu được chế tạo từ năm 1983 bởi sự phát minh đồng thời của hai nhóm nam châm ở Mỹ (Croat và cộng sự) [1] và ở Nhật (Sagawa và cộng sự) [2]. Sự phát minh này thực sự là một cuộc cách mạng trong lịch sử vật liệu từ. Cho đến nay hệ vật liệu này được ứng dụng rất nhiều trong thực tế vì nó có tích năng lượng (BH) max nổi trội hơn so với các loại vật liệu từ cứng khác. Theo thống kê, nam châm vĩnh cửu nền NdFeB chiếm một tỉ phần lớn trong các loại nam châm vĩnh cửu ứng dụng trong thực tế. Loại nam châm này thường được chế tạo bằng 2 phương pháp là phương pháp thiêu kết và phương pháp kết dính. Nam châm thiêu kết còn chứa nhiều đất hiếm và công nghệ chế tạo phức tạp do đó làm tăng giá thành sản phẩm, bên cạnh đó cơ tính, hóa tính không thích ứng cao. Với loại nam châm thiêu kết này tích năng lượng cực đại đã đạt được là (BH) max = 57 MGOe (theo lý thuyết (BH) max ~ 64 MGOe) [3]. Nam châm thiêu kết có khả năng làm việc trong các môi trường từ trường cao, là loại vật liệu từ cứng khó có thể thay thế bằng các loại khác. Tuy nhiên, trong thực tế có nhiều thiết bị chỉ cần hoạt động trong môi trường từ trường thấp, tích năng lượng (BH) max nhỏ, nhưng đòi hỏi thời gian hoạt động dài, độ bền cơ tính, hóa tính cao và tính bền nhiệt tốt. Vì thế, công cuộc tìm kiếm và chế tạo các loại nam châm vĩnh cửu phù hợp với môi trường làm việc, giá thành rẻ vẫn luôn là vấn đề quan tâm của các nhà khoa học. Năm 1988, Coehoorn và các cộng sự ở phòng thí nghiệm Philip Research đã công bố phát minh về loại nam châm cứng mềm có H c ~ 3 kOe, B r ~ 12 kG, (BH) max ~ 11,6 MGOe. Nam châm này chứa nhiều pha từ ở kích thước nanomet, bao gồm hai pha mềm Fe 3 B (73% thể tích), α-Fe (12% thể tích) và pha cứng Nd 2 Fe 14 B (15% thể tích) [4]. Nam châm loại này có lượng Nd bằng khoảng 1/3 so với trong nam châm thiêu kết Nd 2 Fe 14 B thông thường. Công nghệ chế tạo không 2 quá phức tạp nên làm tăng độ bền cơ học, hóa học và giảm giá thành của nam châm. Với những ưu điểm đó, nó được nhiều phòng thí nghiệm quan tâm nghiên cứu. Để chỉ nam châm loại này người ta dùng thuật ngữ "nam châm tổ hợp hai pha cứng mềm" hay “nanocomposite” hoặc "nam châm đàn hồi" (exchange-spring magnet). Theo tính toán lí thuyết, tích năng lượng cực đại của nam châm loại này có thể lên tới 125 MGOe [5]. Tuy nhiên, thực nghiệm mới đạt được cỡ 20 MGOe. Ở Việt Nam, việc nghiên cứu chế tạo nam châm đàn hồi thu hút được nhiều sự chú ý của các nhóm nghiên cứu và tích năng lượng (BH) max đã đạt được trên 10 MGOe. Cấu truc lý tưởng của các nam châm này là các pha từ mềm nằm xen kẽ, bao bọc các pha từ cứng một cách đồng đều. Ở kích thước nanomet các hạt từ cứng (Nd 2 Fe 14 B) liên kết với các hạt từ mềm (α-Fe, Fe 3 B) thông qua tương tác trao đổi đàn hồi. Tương tác này làm các véctơ mômen từ của hạt từ mềm bị ”khoá” bởi các hạt từ cứng nên khó đảo chiều dưới tác dụng của từ trường ngoài. Như vậy các hạt từ mềm đã bị “cứng” hóa, do vậy vật liệu từ cứng có từ độ dư cao hơn giá trị giới hạn đã được xác định bởi mẫu Stoner-Wohlfarth cho các nam châm đẳng hướng (M r ≤ 0,5 M s ). Từ độ dư được nâng cao kéo theo tích năng lượng cực đại của vật liệu cũng tăng theo nếu trường kháng từ và độ vuông đường từ trễ ít thay đổi. Nhìn chung mục tiêu của các nam châm về loại vật liệu này là làm sao kết hợp được ưu điểm từ độ bão hòa và nhiệt độ Curie cao của pha từ mềm và tính dị hướng từ cao của pha từ cứng để tạo ra vật liệu có phẩm chất từ tốt có thể ứng dụng trong thực tế. Để có được tính chất từ như mong đợi thì việc tạo ra một vi cấu trúc có lợi cho tương tác trao đổi đàn hồi là cần thiết. Việc chế tạo nam châm NdFeB tổ hợp của hai pha cứng mềm cấu trúc nano Nd 2 Fe 14 B/α-Fe, Fe 3 B có tích năng lượng (BH) max gần tới giới hạn lý thuyết vẫn là một thách thức lớn cho các nhà khoa học. Vấn đề mấu chốt là làm sao tạo được cấu trúc vi mô của vật liệu gần với mô hình lý thuyết. Chính vì vậy chế tạo vật liệu tổ hợp hai pha cứng mềm có cấu trúc nano tối ưu hiện vẫn là một hướng nghiên cứu cần được quan tâm. 2. Lịch sử phát triển của vật liệu từ cứng nền NdFeB 3 Những ứng dụng của VLTC trong lịch sử và hiện tại đã thúc đẩy khoa học nghiên cứu về vật liệu từ phát triển. Tính chất từ của vật liệu được đặc trưng bởi các tham số như lực kháng từ H c , cảm ứng từ dư B r và tích năng lượng cực đại (BH) max . Các tham số này có thể thu được từ đường cong từ trễ M(H) và B(H). Với VLTC tích năng lượng cực đại (BH) max được coi là một thông số từ quan trọng để đánh giá chất lượng vật liệu từ. Trong thế kỉ XX cứ sau mỗi 20 năm (BH) max tăng gấp 3 lần hình 1. Để có được những tiến bộ này, các nhà khoa học về vật liệu từ một mặt tập trung trong việc tìm kiếm vật liệu mới, mặt khác hoàn thiện công nghệ chế tạo. VLTC nhân tạo đầu tiên được chế tạo năm 1920 có (BH) max ≈ 1 MGOe. Từ đó hướng nghiên cứu tập trung vào việc nâng cao biện pháp công nghệ và thay đổi hợp phần để tìm kiếm vật liệu mới có (BH) max cao được phát triển. Khoảng giữa thập niên 60 của thế kỷ XX, việc phát minh ra VLTC đất hiếm đã làm bùng nổ hướng nghiên cứu về chất lượng và phạm vi ứng dụng. Hình 1. Sự phát triển của nam châm vĩnh cửu (theo (BH) max ) trong thế kỷ 20 [6, tr. X] Năm 1966 phát hiện ra tính chất từ của vật liệu YCo 5 đó là sự kết hợp giữa các nguyên tố 3d của kim loại chuyển tiếp có từ độ bão hoà và nhiệt độ chuyển pha Curie (T C ) cao, với các nguyên tố 4f của đất hiếm có tính dị hướng từ tinh thể mạnh cho lực kháng từ H c lớn. Năm 1967 vật liệu SmCo 5 được tìm ra và trở thành nam châm đất hiếm đầu tiên có giá trị thương mại. Hợp chất có dị hướng từ tinh thể cao, nó được chế tạo ở dạng nam châm kết dính có (BH) max ≈ 5 MGOe [7]. Năm 1969 4 nam châm SmCo 5 chế tạo ở dạng thiêu kết cho (BH) max ≈ 20MGOe được làm ra bởi Das. Vật liệu Sm 2 Co 17 cũng được quan tâm nghiên cứu nhưng hằng số dị hướng K 1 thấp nên trường dị hướng H A không cao [9]. Năm 1976 vật liệu Sm 2 Co 17 có (BH) max ≈ 30MGOe được chế tạo theo công nghệ luyện tinh bột và sử lý ở nhiệt độ 1100 o c, nếu quy trình chế tạo hợp lý vật liệu sẽ có vi cấu trúc dạng hạt, pha Sm 2 (Co,Fe) 17 được bao quanh bởi pha biên Sm(Co,Cu) 5 . Lực kháng từ tăng nhờ cơ chế ghim vách đômen ở biên hạt [8]. Nhưng nguyên tố Co là mặt hàng chiến lược do đó việc cấp thiết là tìm ra vật liệu từ mới chứa ít hoặc không chứa Co. Đầu tiên người ta chú ý đến những vật liệu có trữ lượng lớn ở vỏ trái đất. Mặt khác chúng phải có mô men từ nguyên tử cao. Hai nguyên tố Nd và Fe thoả mãn các điều kiện đó (mômen từ nguyên tử của Nd là 3,5µ B và Fe là 5,9µ B [10]). Các hướng nghiên cứu tập trung vào việc tìm ra vật liệu từ có thông số từ cứng tốt mà thành phần nền là NdFe. Năm1983 Sawaga ở công ty Sumitomo (Nhật bản) bằng phương pháp luyện kim bột tương tự như phương pháp chế tạo SmCo đã chế tạo thành công nam châm vĩnh cửu có thành phần Nd 8 Fe 77 B 5 có B r = 12 kG, H c = 12,6 kOe, (BH) max ≈ 36,2 MGOe [11]. Cũng năm đó, Croat và cộng sự ở công ty General Motors (Mỹ) bằng phương pháp phun băng nguội nhanh chế tạo được nam châm vĩnh cửu có thành phần Nd 2 Fe 14 B có B r = 0,8T, H cj = 1120kA/m, (BH) max = 14MGOe [12]. Phẩm chất từ không ngừng được nâng cao, ứng dụng không ngừng được mở rộng. Đến nay bằng phương pháp thiêu kết một số phòng thí nghiểm trên thế giới đã tìm ra vật liệu từ cứng Nd 2 Fe 14 B có(BH) max = 57 MGOe. Đặc biệt năm 1988 Coehoorn và các cộng sự ở phòng thí nghiệm Philip Research (Hà Lan) đã phát minh ra loại vật liệu mới NdFeB có B r = 1,0T, H cj = 280kA/m, (BH) max ≈ 12,4 MGOe .Tuy (BH) max không cao nhưng vật liệu này gồm 2 pha từ mềm Fe 3 B (73% thể tích ), α -Fe pha này chiếm (12% thể tích) và pha từ cứng Nd 2 Fe 14 B (15% thể tích) [13]. VLTC này có từ độ bão hoà cao do tương tác trao đổi giữa các hạt từ cứng và từ mềm lân cận nhau làm véc tơ từ độ của chúng định hướng song song, tính thuận nghịch trong khử từ cũng cao nên được gọi là 5 nam châm đàn hồi). Lượng Nd trong vật liệu loại này bằng khoảng 1/3 so với trong nam châm thiêu kết Nd 2 Fe 14 B thông thường. Công nghệ chế tạo không quá phức tạp nên làm tăng độ bền cơ học, hóa học và giảm giá thành của nam châm. Với những ưu điểm đó, nó được nhiều phòng thí nghiệm quan tâm nghiên cứu. Kể từ đây vật liệu NdFeB được đặc biệt chú ý với các phòng thí nghiệm trên thế giới. Nhiều công trình nghiên cứu về vi cấu trúc, thành phần hợp phần, công nghệ chế tạo v.v đã được công bố. Tính chất từ cứng của VLTC NdFeB liên quan mật thiết với cấu trúc vi mô của vật liệu, chúng được đặc trưng bằng các hạt từ cứng Nd 2 Fe 14 B cỡ vài µm, hình que, định hướng, phân bố đồng đều, được xử lý nhiệt thích hợp. Tính chất của VLTC phụ thuộc vào thành phần và tỷ phần các chất cấu tạo lên vật liệu. Hợp phần làm thay đổi tính chất nội tại như từ độ bão hoà, nhiệt độ chuyển pha curie. Cấu trúc vi mô làm thay đổi các thông số ngoại lai như lực kháng từ, độ vuông đường trễ. Ngoài nghiên cứu cơ bản, việc thương mại hóa và mở rộng phạm vi ứng dụng của loại VLTC này cũng đã có những bước tiến vượt bậc. Điều này được minh chứng qua tốc độ tăng trưởng hàng năm về sản lượng (10 đến 20 %) cũng như giá trị sản phẩm ngày càng cao. Mặc dù điểm yếu là nhiệt độ Curie và khả năng chống chịu ăn mòn thấp, nhưng VLTC sản xuất nam châm NdFeB đã thay thế nam châm Sm-Co trong nhiều trường hợp. Vật liệu này đã có những bước tiến vượt bậc trong thương mại và mở rộng phạm vi ứng dụng. Các mô hình tính toán lý thuyết cho thấy, tích năng lượng cực đại (BH) max của loại vật liệu có cấu trúc xen kẽ giữa các pha từ cứng (Nd 2 Fe 14 B, Sm 2 Fe 13 N 3 ) và pha từ mềm (α-Fe, Fe 3 B, Fe 65 Co 35 ) ở kích thước nanomet có thể đạt trên 120 MGOe. Hiện nay nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới vẫn tiếp tục nghiên cứu lý thuyết và xây dựng các mô hình lý tưởng cho loại VLTC có cấu trúc nanomet này. Các nhóm nghiên cứu thực nghiệm thì tìm kiếm các hợp phần mới và các công nghệ mới để nâng cao phẩm chất và làm giảm giá thành của vật liệu. Trên thực tế, vật liệu loại này mới chỉ đạt cỡ 20 MGOe. Như vậy khả năng để chế tạo ra các vật liệu từ cứng có tích năng lượng cao vẫn còn rất rộng mở. 6 3. Cấu trúc và tính chất của vật liệu NdFeB VLTC NdFeB là vật liệu mà tính chất từ cứng dựa trên pha tinh thể từ cứng Nd 2 Fe 14 B, pha này có cấu trúc khá ổn định. Tuy nhiên, trong công nghệ chế tạo, khi rắn hóa nhanh hợp kim lỏng thì chúng rất khó đơn pha. Sau phun băng số lượng pha ngoài còn khá nhiều và chúng chỉ mất đi sau quá trình ủ nhiệt ở nhiệt độ thích hợp. Ví dụ khi làm nguội dung dịch lỏng có thành phần tương ứng với pha Nd 2 Fe 14 B có thể dẫn tới hình thành pha tinh thể Fe. Việc kết tinh pha lạ sẽ làm giảm tính từ cứng của vật liệu. Do đó, khi chọn hợp phần chế tạo hợp kim thường nghiêng về việc chọn Fe ít đi, giàu Nd và B hơn. Nhưng nếu thành phần Nd nhiều sẽ làm tăng giá thành và giảm độ bền hóa học của vật liệu. Vì vậy, người ta thường chọn hợp phần chứa khoảng 77% Fe, khi đó pha ngoại có thể xuất hiện trong quá trình rắn hóa là NdFe 4 B 4 , pha giàu Nd [14, tr. 9]. Pha ngoại này trong nam châm thiêu kết chính là pha lỏng (pha biên hạt) chúng là chất để gắn kết các hạt từ cứng với nhau tạo kết cấu bền chắc, cho mật độ cao và lực kháng từ lớn của nam châm. 1.2.1. Cấu trúc tinh thể của vật liệu Nd 2 Fe 14 B Theo Herbst và các cộng sự [15] Nd 2 Fe 14 B là một hợp chất thuộc nhóm 2:14:1, có cấu trúc tinh thể tứ giác (tetragonal) với hằng số mạng a = 0,878 nm và c = 1,218 nm; thuộc nhóm không gian P4 2 /mnm, khối lượng riêng 7,55 g/cm. Cấu trúc tinh thể của hợp kim Nd 2 Fe 14 B được mô tả trên hình 2a. Hình 2. (a) Cấu trúc tinh thể của hợp kim Nd 2 Fe 14 B, (b) nguyên tử B và 6 nguyên tử Fe (vị trí e và k 1 ) tạo thành hình lăng trụ đứng đáy tam giác [11] (a) (b) Z=0 Z=1/20 7 Pha Nd 2 Fe 14 B có cấu trúc khá ổn định vì trong mỗi ô cơ sở có 68 nguyên tử chứa trong 4 đơn vị công thức Nd 2 Fe 14 B. Ở đó các nguyên tử Nd chiếm 2 vị trí (ký hiệu là 4f, 4g) không tương đương, các nguyên tử Fe chiếm 6 vị trí (ký hiệu là 4c, 4e, 8j 1 , 8j 2 , 16k 1 , 16k 2 ) và các nguyên tử B chiếm vị trí 4g. Trên mặt phẳng cơ sở z = 0 và z = 1/2 chứa tất cả các nguyên tử Nd và B cùng 4 nguyên tử Fe ở (vị trí 4c). Mỗi nguyên tử B kết hợp với 6 nguyên tử Fe (ở vị trí 4e và 16k 1 ) gần nó nhất tạo thành một hình lăng trụ đáy tam giác hình 2b, các lăng trụ này nối với lớp Fe ở bên trên và ở bên dưới các mặt phẳng cơ sở. Cấu trúc tinh thể với độ bất đối xứng rất cao tạo ra tính từ cứng mạnh của vật liệu này. Nhờ sự sắp xếp này mà cấu trúc tinh thể của hợp kim Nd 2 Fe 14 B được ổn định [16]. Bên cạnh đó, pha Nd 2 Fe 14 B có dị hướng từ tinh thể K 1 = 4,9.10 6 J/m 3 , từ độ bão hòa µ 0 M s = 1,61 T (tương ứng với mômen từ là 37,6 µ B , trường dị hướng H A = 15 T) và nhiệt độ Curie là T C = 585 K (312 o C). Các thông số cấu trúc và tính chất nội tại này cho phép nam châm thiêu kết tạo ra tích năng lượng từ cực đại (B.H) max lớn nhất tới 64 MGOe. Hiện nay, người ta đã tạo ra nam châm thiêu kết Nd 2 Fe 14 B có tích năng lượng từ cực đại lên tới 57 MGOe. Đây là loại nam châm vĩnh cửu cực mạnh, có khả năng cho từ dư tại bề mặt lên tới 1,3 T, nhưng có nhược điểm là có tính ôxy hóa cao (do hoạt tính của Nd), nhiệt độ hoạt động thấp và giá thành đắt (do chứa nhiều đất hiếm). Bảng 1. Tính chất từ của một số loại nam châm Nam châm M r (T) H ci (kA/m) BH max (kJ/m 3 ) T C (°C) Nd 2 Fe 14 B (thiêu kết) 1,0–1,4 750–2000 200–440 310–400 Nd 2 Fe 14 B (kết dính) 0,6–0,7 600–1200 60–100 310–400 SmCo 5 (thiêu kết) 0,8–1,1 600–2000 120–200 720 Sm(Co, Fe, Cu, Zr) 7 (thiêu kết) 0,9–1,15 450–1300 150–240 800 8 Alnico (thiêu kết) 0,6–1,4 275 10–88 700–860 Sr-ferrite (thiêu kết) 0,2–0,4 100–300 10–40 450 Bảng 1 so sánh từ tính của nam châm NdFeB với các loại khác. Trong quá trình chế tạo hợp kim, cần phải pha thêm các nguyên tố để tăng cường tính chất từ cho vật liệu. Nd có thể được thay thế một phần bởi các nguyên tố đất hiếm, Fe có thể thay thế một phần bởi Co hoặc B có thể được thay thế bởi C ta có các vật liệu RE 2 Fe 14 B, RE 2 (Fe, Co) 14 B hay RE 2 Fe 14 C thì việc thay thế một phần hay từng phần các nguyên tố Nd, Fe, B bởi các nguyên tố khác không làm thay đổi cấu trúc tinh thể của vật liệu. 2.2. Từ tính của vật liệu Nd 2 Fe 14 B Các chất sắt từ như sắt (Fe), côban (Co), niken (Ni), gađôli (Gd) là các chất sắt từ điển hình. Các chất này có mômen từ nguyên tử lớn như sắt là 2,2 µ B , Gd là 7 µ B và nhờ tương tác trao đổi giữa các mômen từ, mà chúng định hướng song song với nhau theo từng vùng, còn gọi là các đômen từ. Mômen từ trong mỗi vùng đó gọi là từ độ tự phát, có nghĩa là các chất sắt từ có từ tính nội tại ngay khi không có từ trường ngoài. Đây là các nguồn gốc cơ bản tạo nên các tính chất của chất sắt từ. Tính chất từ của vật liệu được quy định bởi tính chất từ nội tại và tính chất từ ngoại lai. Tính chất từ nội tại như từ độ tự phát, nhiệt độ Curie T C và tính dị hướng từ v.v. được xác định bởi thành phần hóa học và cấu trúc tinh thể. Hay có thể nói mômen từ của các nguyên tử và tương tác giữa chúng trong mạng tinh thể đã tạo lên tính chất từ nội tại cho vật liệu. Tính chất từ ngoại lai như lực kháng từ H c , từ độ dư M r , độ vuông đường trễ và tích năng lượng cực đại được xác định bởi cấu trúc tinh thể và vi cấu trúc tức là hình dạng, kích thước hạt, tính đồng nhất và sự phân bố của chúng trong vật liệu. Để có thể hiểu được nguồn gốc của các ảnh hưởng lên các tính chất đó trước hết chúng ta xét tính chất từ của các loại nguyên tử và tương tác giữa chúng khi tạo thành tinh thể. 2.2.1. Các yếu tố ảnh hưởng lên tính chất từ nội tại 9 Tính chất từ nội tại đầu tiên phải kể đến là từ độ tự phát. Hirosawa và cộng sự [17] đã nghiên cứu sự phụ thuộc của từ độ vào nhiệt độ của các đơn tinh thể RE 2 Fe 14 B. Kết quả cho thấy liên kết giữa các mômen từ nguyên tử đất hiếm (RE) và nguyên tử kim loại chuyển tiếp (TM) trong hợp kim ba thành phần REFeB cũng tương tự như trong liên kim loại hai thành phần RETM. Nghĩa là, nếu RE là nguyên tố đất hiếm nặng, thì mô men từ toàn phần giữa các nguyên tử RE với nguyên tử TM là liên kết phản sắt từ. Còn nếu RE là nguyên tố đất hiếm nhẹ thì mômen từ toàn phần giữa các nguyên tử RE với các nguyên tử TM là liên kết sắt từ. Các tác giả [15], [18] bằng phương pháp nhiễu xạ nơtron khi nghiên cứu sự phụ thuộc của từ độ vào nhiệt độ cũng có cùng kết quả như vậy. Như đã nói ở trên sự xuất hiện từ độ tự phát trong tinh thể sắt từ là do tương tác trao đổi giữa các nguyên tử thành phần làm cho các mômen từ định hướng song song nhau, năng lượng tương tác này được đánh giá qua hằng số trao đổi. Giá trị từ độ khoảng 1,6 T trong vật liệu Nd 2 Fe 14 B tại nhiệt độ phòng là do cả hai phân mạng đất hiếm và sắt đóng góp vào [19]. Việc giải hệ các phương trình Schrodinger dựa trên thành phần và tính chất các nguyên tử hay một cách đơn giản hơn bằng mẫu trường phân tử trên cơ sở kết quả thực nghiệm cho ta sự phụ thuộc của từ độ vào nhiệt độ, nhiệt độ Curie và trường dị hướng cho các hợp chất liên kim loại RE-TM có cùng cấu trúc tinh thể. Tính chất từ nội tại tiếp theo của vật liệu là nhiệt độ Curie (T c ). Trong hợp chất RE 2 Fe 14 B tồn tại 3 tương tác chính là tương tác giữa các ion đất hiếm (RE-RE), tương tác giữa ion đất hiếm và ion kim loại chuyển tiếp (RE-TM) và tương tác giữa các ion kim loại chuyển tiếp (TM-TM). Với hợp chất RE 2 Fe 14 B, tương tác RE-TM là tương tác quyết định nhiệt độ Curie (T c ) [20]. Do tương tác trao đổi sắt từ Fe-Fe tương đối yếu J FeFe k B ≈ 39K trong cấu trúc gần xếp chặt, nhiệt độ Curie của các hợp chất này là khá thấp, cỡ 585 K cho Nd 2 Fe 14 B. Tương tác RE-Fe có ảnh hưởng lên T c , với giá trị lớn nhất 664 K trong trường hợp RE là Gd. Trong trường hợp nam châm hai phân mạng đất hiếm và kim loại chuyển tiếp, nhiệt độ Curie được tính theo công thức [22, tr. 89]: (1) 10 Trong đó T TT là nhiệt độ Curie mạng kim loại chuyển tiếp, T RT là nhiệt độ Curie gây bởi tương tác RE-TM, T TT và T RT được tính theo công thức: Trong đó, J TT là hằng số trao đổi mạng TM, Z TT là số nguyên tử TM xung quanh nguyên tử TM, J RT là hằng số trao đổi của tương tác RE-TM, g là thừa số Landê, Z RT là số nguyên tử TM lân cận nguyên tử RE, Z TR là số nguyên tử RE lân cận nguyên từ TM, S là spin nguyên tử TM, J là số lượng tử của momen từ toàn phần nguyên tử RE, k B là hằng số Bonltzmann. Trong trường hợp Nd 2 Fe 14 B, T FeFe có giá trị cỡ 566 K, còn T NdFe cỡ 216 K. Dị hướng từ tinh thể cũng là một thông số rất quan trọng với tính chất từ nội tại của vật liệu từ cứng, bởi nó là một yếu tố quyết định lực kháng từ cao hay thấp. Dị hướng từ tinh thể là năng lượng liên quan đến sự định hướng của các mômen từ và đối xứng tinh thể của vật liệu. Do tính dị hướng của cấu trúc tinh thể, sẽ có sự khác nhau về khả năng từ hóa khi ta từ hóa theo các phương khác nhau, dẫn đến việc vật liệu có phương dễ từ hóa, gọi là trục dễ (từ hóa) và phương khó từ hóa (gọi là trục khó). Năng lượng dị hướng từ tinh thể là năng lượng cần thiết để quay mômen từ trục khó sang trục dễ. Năng lượng từ hóa theo trục dễ là nhỏ nhất, trong khi năng lượng từ hóa theo trục khó là lớn nhất. Diện tích giới hạn bởi đường cong từ hóa khó và từ hóa dễ là đại lượng đặc trưng cho năng lượng dị hướng từ tinh thể của mẫu. Nói một cách khác năng lượng dị hướng là năng lượng cần thiết do từ trường ngoài cung cấp để chuyển dời mô men từ từ hướng từ hóa dễ sang hướng từ hóa khó. Năng lượng dị hướng từ tinh thể có thể viết một cách tổng quát: E a = K 0 +K 1 (α 2 1 α 2 2 + α 2 2 α 2 3 + α 2 3 α 2 1 ) + K 2 α 2 1 α 2 2 α 2 3 , (1.4) Với K 0 , K 1 và K 2 là các hằng số dị hướng, có thứ nguyên năng lượng (2) (3) (2) ( 1. 3) [...]... thì đường cong từ trễ càng tiến tới dạng hình chữ nhật) 3 Cấu trúc tính chất của vật liệu nanocomposite NdFeB 3.1.Cấu trúc vật liệu nanocomposite NdFeB Nam châm tổ hợp nano hai pha cứng mềm là một loại nam châm vĩnh cửu, được tổ hợp từ các hạt từ cứng, từ mềm có kích thước nano Mô hình lý tưởng của các nam 18 Hình 8 Sơ đồ mô phỏng cấu trúc vật liệu nanocompositeNdFeB châm này là các pha từ mềm nằm xen... pha từ cứng là Nd2Fe14B và pha từ mềm là αFe hoặc Fe3B tương tác theo mô hình này 3.2.Tính chất vật liệu nanocomposite NdFeB Vật liệu nanocomposite NdFeB có Hc tương đối lớn do tương tác trao đổi đàn hồi giữa pha từ cứng Nd2Fe14B và pha từ mềm α-Fe/Fe3B tương tác này làm các véc tơ mô men từ mềm bị khóa bởi các hạt từ cứng dẫn đến chúng khó đảo 21 chiều khi bị tác dụng của từ trường ngoài (các hạt từ. .. chế tạo lực kháng từ liên quan đến cơ chế từ hóa và đảo từ của vật liệu, hay nói cách khác là liên quan đến sự thay đổi của cấu trúc từ và bị ảnh hưởng mạnh bởi cấu trúc hạt của vật liệu Yếu tố lớn nhất chi phối lực kháng từ là dị hướng từ tinh thể và tùy từng loại vật liệu mà lực kháng từ có thể phụ thuộc khác nhau vào yếu tố này Trong các vật liệu có dị hướng từ lớn, lực kháng từ thay đổi rất phức... lên tính chất từ ngoại lai Lực kháng từ Hc, từ độ dư Mr, độ vuông đường trễ và tích năng lượng cực đại là những tính chất từ ngoại lai của VLTC 13 Hình 5 Đường cong từ trễ của các vật liệu sắt từ cho phép xác định lực kháng từ Lực kháng từ Hc - Là giá trị từ trường ngược cần đặt vào để triệt tiêu độ từ hóa (M = 0) Lực kháng từ là tham số ngoại được xác định từ đường cong từ trễ của vật liệu Cơ chế tạo... rãi Vật liệu này thường là đẳng hướng và cho đến nay chúng vẫn được chế tạo dưới dạng băng hoặc dạng bột Một số nghiên cứu khác đang nghiên cứu chế tạo vật liệu nanocomposite NdFeB dị hướng nhằm mục đích nâng cao tính chất từ cho vật liệu Một số tập trung chế tạo vật liệu có cấu trúc khác hay tìm kiếm một số hệ vật liệu tiềm năng ngoài các hệ đã được sử dụng Khi chế tạo vật liệu nanocomposite NdFeB. .. bọc các pha từ cứng một cách đồng đều hình Với cấu trúc nanomet các hạt từ cứng (Nd2Fe14B) liên kết với các hạt từ mềm (α-Fe, Fe3B) thông qua tương tác trao đổi đàn hồi Tương tác này làm các véctơ mômen từ của hạt từ mềm bị ”khoá” bởi các hạt từ cứng nên khó đảo chiều dưới tác dụng của từ trường ngoài, như vậy các hạt từ mềm đã bị cứng hóa Do đó, chúng có Hc cỡ như của pha từ cứng nhưng từ độ bão... hình dị hướng từ hiệu dụng của Skomski và Coey, mô hình của Schrefl và mô hình của Fisher 5.1 Mô hình E F Kneller và R Hawig (K-H) Các mô hình mô phỏng cấu trúc vật liệu nanocomposite NdFeB bao gồm 2 thành phần là thành phần từ cứng và thành phần từ mềm Trong đó, thành phần từ cứng cho trường kháng từ cao, còn thành phần từ mềm cho độ từ hoá bão hoà lớn và có thể bao phủ vùng pha từ cứng để ngăn chặn... là hệ số nhớt từ của vật liệu; còn Neff là thừa số khử từ hiệu dụng Đối với các vật liệu từ có cấu trúc đơn đômen, cấu trúc đơn đômen là cấu trúc không có vách đômen nên không có các quá trình dịch chuyển vách hay hãm các vách đômen trong quá trình từ hóa Vì thế, quá trình từ hóa và khử từ trong vật từ có cấu trúc đơn 14 (11) đômen là quá trình quay kết hợp các mômen từ Vì thế, lực kháng từ tạo ra là... ngoài (các hạt từ mềm bị khóa cứng) Tương tác trao đổi đàn hồi còn kết hợp được từ độ bão hòa cao của pha từ mềm với lực kháng từ lớn của pha từ cứng khi độ vuông góc của đường cong khử từ tốt chúng cho tích năng lượng cực đại (BH)max lớn Từ độ bão hòa là tính chất từ nội tại phụ thuộc vào thành phần vật liệu Lực kháng từ và độ vuông đường trễ phụ thuộc vào vi cấu trúc vật liệu Đã có các công trình nghiên... tới lực kháng từ nhiều hơn cả quá trình quay đồng bộ và xoắn Cùng với từ dư, lực kháng từ và độ vuông đường trễ quyết định tích năng lượng cực đại của vật liệu Tích năng lượng cực đại (BH)max: Là năng lượng từ lớn nhất có thể dự trữ tồn trữ trong một đơn vị thể tích vật từ, liên quan đến khả năng sản sinh từ trường của vật liệu từ, là một tham số đánh giá phẩm chất VLTC Tích năng lượng từ cực đại được . 1 VẬT LIỆU TỪ CỨNG NANOCOMPOSITE NdFeB 1. Mở đầu Vật liệu từ cứng NdFeB bắt đầu được chế tạo từ năm 1983 bởi sự phát minh đồng thời của hai. véctơ mômen từ của hạt từ mềm bị ”khoá” bởi các hạt từ cứng nên khó đảo chiều dưới tác dụng của từ trường ngoài. Như vậy các hạt từ mềm đã bị cứng hóa, do vậy vật liệu từ cứng có từ độ dư cao. phát triển của vật liệu từ cứng nền NdFeB 3 Những ứng dụng của VLTC trong lịch sử và hiện tại đã thúc đẩy khoa học nghiên cứu về vật liệu từ phát triển. Tính chất từ của vật liệu được đặc