Bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu về sự gia tăng tương tác nói trên trong các mẫu nam châm kết dính Nd-Fe-B chế tạo bằng phương pháp ép gia nhiệt bột nguội nhanh. Kết quả đo tính chất từ của mẫu thu nhận được cho thấy phương pháp ép gia nhiệt đã gia tăng tương tác từ giữa các vi hạt, ảnh hưởng mạnh đến hệ số vuông góc y, do vậy, làm tăng đáng kể từ tính của mẫu nam châm so với phương pháp ép mẫu ở nhiệt độ phòng.
JOURNAL OF SCIENCE OF HNUE Natural Sci., 2011, Vol 56, No 3, pp 3-7 TƯƠNG TÁC TỪ GIỮA CÁC VI HẠT TRONG NAM CHÂM KẾT DÍNH Nd-Fe-B CHẾ TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP ÉP NÓNG Nguyễn Văn Khánh(∗) Trường Đại học Sư Phạm Hà Nội Nguyễn Văn Vượng Viện Khoa học Vật liệu, Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam (∗) E-mail: khanhnvsp@gmail.com Mở đầu Kể từ Nd-Fe-B, loại vật liệu từ cứng có tích lượng từ cao, phát vào cuối năm 1983 [1] đến nay, nam châm Nd-Fe-B ngày chiếm ưu thị trường nam châm vĩnh cửu Xuất phát từ hai ý tưởng ban đầu tìm kiếm pha sắt từ vật liệu Nd-Fe-B trạng thái bền giả bền [2], từ ngày đời đến nay, nam châm vĩnh cửu họ Nd-Fe-B chế tạo song hành hai công nghệ, luyện kim bột kết dính bột nguội nhanh, tạo hai loại nam châm, thiêu kết kết dính, có ưu điểm riêng biệt [3] Từ tính nam châm vĩnh cửu đặc trưng cảm ứng từ dư Br , lực kháng từ i Hc , tích lượng từ (BH)max hệ số vng góc γ Tham số γ liên quan chặt chẽ đến chế đảo từ có tác động mạnh lên giá trị tích lượng từ (BH)max Trong nam châm đẳng hướng, phân bố trục dễ hoàn toàn ngẫu nhiên, momen từ bão hòa Ms (được gắn chặt với trục dễ nhờ vào trường dị hướng tinh thể) phân bố hồn tồn ngẫu nhiên Vì lí nên hệ số vng góc nam châm đẳng hướng thường không vượt γmax = 0, vi hạt có kích thước đơn đơmen khơng tương tác với Do cải thiện hệ số vng góc liên quan chặt chẽ đến tương tác trao đổi vi hạt Tương tác phụ thuộc mạnh vào kích thước, hình dáng vi hạt cố định mảnh sau trình nguội nhanh thay đổi q trình xử lí nhiệt Bài báo trình bày kết nghiên cứu gia tăng tương tác nói mẫu nam châm kết dính Nd-Fe-B chế tạo phương pháp ép gia nhiệt bột nguội nhanh Kết đo tính chất từ mẫu thu nhận cho thấy phương pháp ép gia nhiệt gia tăng tương tác từ vi hạt, ảnh hưởng mạnh đến hệ số vng góc γ, vậy, làm tăng đáng kể từ tính mẫu nam châm so với phương pháp ép mẫu nhiệt độ phòng Kết thực nghiệm khẳng định Nguyễn Văn Khánh Nguyễn Văn Vượng trùng hợp tốt với kết mơ hình hóa theo mơ hình Stoner-Wohlfarth [4] chứng minh tính khả quan cơng nghệ ép gia nhiệt để chế tạo nam châm kết dính Nd-Fe-B chất lượng cao 2.1 Nội dung nghiên cứu Thực nghiệm Hiện nam châm kết dính Nd-Fe-B thường tiến hành theo qui trình cơng nghệ đơn giản trình bày Hình Hình Qui trình chế tạo nam châm kết dính Nd-Fe-B Kết nghiên cứu tài liệu [5] cho thấy qui trình khơng tác động vào tương tác hạt từ không cho phép tạo mẫu nam châm khối lượng riêng lớn, từ tính nam châm chế tạo chưa đạt theo đặc trưng vốn có loại vật liệu Để làm tăng từ tính mẫu theo ý tưởng tăng cường tương tác từ trình bày trên, mẫu nam châm chế tạo theo qui trình tương tự qui trình cơng nghệ mơ tả Hình 1, song cơng đoạn ép nam châm tiến hành nhiệt độ 2000 C Qui trình cho phép thực ép định hình mẫu lúc với xử lí nhiệt hóa cứng sản phẩm Kết khối lượng riêng mẫu thu cao so với ép nguội Ngồi dự đốn, chúng tơi quan sát thấy gia tăng tương tác từ vi hạt làm tăng từ tính mẫu so với mẫu chế tạo ép nguội 2.2 Kết thảo luận Để dùng mơ hình Stoner-Wohlfarth, ta cho mẫu nam châm tập hợp vi hạt từ kích thước đơn đơmen, khơng tương tác với Mỗi hạt có trục dễ EA định hướng ngẫu nhiên không gian Momen từ M vi hạt hướng theo trục dễ có độ lớn Ms Khi có từ trường ngồi H tạo góc β với trục dễ EA (0 < β < 900 ) góc M H θ (Hình 2) Năng lượng tự vi hạt là: f = −Ku cos2 (θ − β) − HMS cos θ công thức này: Ku = − Ha MS cos θ = M/MS Tương tác từ vi hạt nam châm kết dính Nd-Fe-B Thông số Ha liên quan đến cường độ từ trường ngồi mà từ độ đạt giá trị bão hòa Đối với vật liệu Nd2 Fe14 B, giá trị cực đại Ha cỡ 7, 6T [5] Giá trị thực tế Hai hạt xác định tác dụng từ trường ngồi q trình kết dính nam châm tham số ngẫu nhiên có phân bố theo hàm xác suất khoảng ÷ 7, 6T , tương ứng với việc trục dễ hạt song song hay vng góc với hướng từ trường nạp Đặt h = H/Ha , m = cos θ Gọi P (β) hàm xác suất phân bố trục dễ theo góc β Giá trị trung bình h xác định việc lấy cực tiểu lượng theo góc θ Kết phép tính cho cơng thức h = π/2 hP (β) sin(β)dβ π/2 P (β) sin(β)dβ (2.1) Hình Mơ hình hạt từ đơn đơmen từ trường ngồi H (xem trường ngồi trùng với trục z) P (β) xác suất tồn mơmen từ bề mặt hình nón có góc khơng gian 2β Áp dụng kết tính tốn cho mẫu nam châm kết dính Nd2 F e14 B sử dụng bột nguội nhanh chế tạo công nghệ phun hợp kim lỏng lên trống quay (công nghệ melt-spinning) Do chất q trình melt-spinning, bột Nd-Fe-B thu nhận có tính đẳng hướng từ thể định hướng ngẫu nhiên trục dễ EA không gian Nếu số lượng vi hạt lớn chúng khơng có tương tác từ P (β) = Trong trường hợp khơng đẳng hướng, hàm P (β) có dạng hàm Gauss [6] P(θ0 ) = Nch exp β2 2δ Dùng cơng thức (1) mơ hình hóa tính chất từ nam châm kết dính khn khổ mơ hình Stoner-Wohlfarth cho trường hợp: - Các hạt không tương tác với nhau, xác suất phân bố mơmen từ bão hịa MS khơng gian (P (β) = 1) - Các hạt không tương tác, hàm phân bố xác suất có dạng hàm Gauss Trong trường hợp tồn tương tác, trình đảo từ vi hạt thứ i xảy tác Nguyễn Văn Khánh Nguyễn Văn Vượng dụng trường hiệu dụng tổng trường trường nội vi hạt lại gây Trường nội theo lí thuyết Weiss tỉ lệ với mơmen từ vi hạt, trường hiệu dụng có dạng Hef f = Hext + α.M Như trình bày trên, hệ số vng góc γ đường cong khử từ (đoạn cong đường từ trễ góc vng thứ hai hệ tọa độ Descart) đặc trưng quan trọng liên quan chặt chẽ đến chế đảo từ có ảnh hưởng định đến giá trị tích lượng từ (BH)max Tồn vài định nghĩa hệ số vng góc (γ =B Hc/i Hc , γ = Mr /Ms ) Hệ số γ gần đến từ tính nam châm cao Hình phụ thuộc hệ số γ vào khối lượng riêng ρ mẫu nam châm kết dính chế tạo Quan sát thấy có gia tăng hệ số γ trường hợp mẫu ép gia nhiệt so với ép nguội Trong trường hợp ρ > 6, 0g/cm3, hệ số γ vượt giá trị γmax = 0, Hình cho thấy phù hợp kết thực nghiệm với mơ hình hóa trường hợp có tương tác từ vi hạt Chú thích: Kết thực nghiệm ( : ép nóng, : ép nguội) Kết lí thuyết ( : có tính đến tương tác với α = 0, 5, : khơng tính đến tương tác) Để ý điểm lí thuyết tạo thành đường tuyến tính, điểm thực nghiệm phân bố xung quanh Hình Sự phụ thuộc hệ số vng góc vào khối lượng riêng nam châm kết dính Sự trùng hợp tốt cho phép rút kết luận phương pháp ép gia nhiệt tăng cường tương tác trao đổi vi hạt làm cải thiện đặc trưng từ tính nam châm kết dính Nd-Fe-B Nguyên nhân tăng cường kết việc mọc vi hạt giảm khoảng cách hạt bột nguội nhanh tác dụng việc ép gia nhiệt Kết luận Cơng nghệ chế tạo nam châm kết dính Nd-Fe-B phương pháp ép gia nhiệt 2000C làm tăng tương tác trao đổi vi hạt qua làm tăng Tương tác từ vi hạt nam châm kết dính Nd-Fe-B từ tính mẫu nam châm Sự gia tăng dự đốn kết mơ hình hóa khn khổ mơ hình Stoner-Wohlfarth có tính đến tương tác vi hạt xác nhận thực nghiệm TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Sagawa M., Fujimura S., Togawa N., Yamamoto H and Matsuura Y., 1984 J Appl Phys 55, 2083 [2] Hashim M., Harun S., Ahmadun M Hj et al., 2000 Permanent Magnets ASEAN-INDIA Workshop on Nd-Fe-B Magnet and Materials, 23-25, Malaysia, 35 [3] M Drak, B Ziebowicz, L.A Dobrzanski, 2008 Manufacturing of hard magnetic composite materials Nd-Fe-B Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering, Vol 31, pp 91-96 [4] M A Chuev, 2007 Generalized Stoner-Wohlfarth model and the non-langevin magnetism of single-domain particles ISSN 0021-3640, JETP Letters, Vol 85, No 12, pp 611-616 [5] Constantinides S., 2000 Novel Permanent Magnets and Their use The Arnol Engineering Company/300N/West Street/Marengo/IL60152 [6] N.V Khánh, N V Vượng, Đ H Thăng, N T Hiếu, 2008 Mơ hình Stoner Wohlfarth mở rộng miêu tả tính chất từ nam châm kết dính ép nóng Nd-Fe-B Tuyển tập báo cáo Hội nghị Vật lí chất rắn tồn quốc lần thứ V, Viện Vật liệu, Vũng Tàu, tr 202-205 ABSTRACT Interaction between micrograins in Nd-Fe-B bonded magnet manufactured by hot compression Bonded Nd-Fe-B magnets were prepared by using melt-spun flakes impregnated in an one-component binder and hot compaction occurred at 2000C in air/argon The results of BH-graph measurements showed the magnetic properties enhancement caused by the improvement of exchange interaction between micro-grains This conclusion has been affirmed by the model results performed in the framework of Stoner-Wohlfarth single domain particles model for the cases: no interaction between micrograins inside flakes, homogenous probability distribution of saturated magnetic momen MS in 3D space; no interaction, Gaussian distribution of the grains; interaction and the distribution of the grains are homogenous Từ khóa: Nam châm kết dính Nd-Fe-B, ép gia nhiệt, mơ hình Stoner-Wolhfarth, tương tác trao đổi ... cường kết vi? ??c mọc vi hạt giảm khoảng cách hạt bột nguội nhanh tác dụng vi? ??c ép gia nhiệt Kết luận Công nghệ chế tạo nam châm kết dính Nd-Fe-B phương pháp ép gia nhiệt 2000C làm tăng tương tác. .. đổi vi hạt qua làm tăng Tương tác từ vi hạt nam châm kết dính Nd-Fe-B từ tính mẫu nam châm Sự gia tăng dự đoán kết mơ hình hóa khn khổ mơ hình Stoner-Wohlfarth có tính đến tương tác vi hạt xác... lượng riêng nam châm kết dính Sự trùng hợp tốt cho phép rút kết luận phương pháp ép gia nhiệt tăng cường tương tác trao đổi vi hạt làm cải thiện đặc trưng từ tính nam châm kết dính Nd-Fe-B Nguyên