CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN
1.1. Từ tính và các vật liệu từ
1.1.3. Vật liệu từ cứng và vật liệu từ mềm
Các thuật ngữ “vật liệu từ cứng” và “vật liệu từ mềm” xuất phát từ sự khác biệt của các đường cong từ trễ của các vật liệu từ khác nhau. Đầu tiên, chúng ta hãy xem lại cấu trúc từ của vật liệu sắt từ và sự phụ thuộc của chúng vào từ trường ngoài. Thông thường một vật liệu sắt từ chứa nhiều đômen từ định hướng ngẫu nhiên. Các đômen được tạo ra để giảm thiểu năng lượng trong vật liệu và chịu ảnh hưởng của các khuyết tật, lệch mạng… Vị trí chuyển tiếp giữa các đômen là các vùng có sự định hướng lại mômen từ, tức là khi dịch chuyển từ đômen này sang đômen khác, mômen từ sẽ thay đổi dần từ hướng này sang hướng khác. Felix Bloch, nhà vật lý người Thụy Sĩ, là người đầu tiên nghiên cứu các tính chất của vùng chuyển tiếp giữa các đômen từ, do đó thuật ngữ “vách Bloch” được sử dụng để mô tả chiều dày vùng chuyển tiếp (hình 1.2a). Các vách Bloch có năng lượng liên kết và có thể đáp ứng lại từ trường ngoài. Xét các vật liệu ban đầu được chia thành các đômen từ như được biểu diễn trong hình 1.2b, chúng ta có thể thấy khi được đặt trong từ trường ngoài, từ trường ngoài sẽ gây ra một mômen xoắn lên các mômen từ khiến cho các mômen từ có xu hướng quay theo hướng của từ trường ngoài. Các vách Bloch sẽ di dời và các đômen có mômen từ song song hoặc gần song song với từ trường ngoài sẽ lớn dần trong khi các đômen khác bị triệt tiêu khi từ trường ngoài tăng dần. Trạng thái bão hòa từ đạt được khi tất cả các mômen từ của vật liệu song song với từ trường ngoài.
Trong các vật liệu sắt từ, không phải tất cả các mômen từ đều thay đổi và định hướng lại sau khi trạng thái bão hòa từ biến mất. Từ độ của vật liệu tồn tại khi từ trường ngoài đã giảm về 0. Từ trường cần thiết cần đặt vào để đưa mômen từ tổng cộng của vật liệu sắt từ về giá trị 0 sau khi vật liệu đạt trạng thái bão hòa từ được gọi là lực kháng từ (HC). Lúc này mômen từ của các đômen sẽ định hướng theo các phương ưu tiên khác nhau và làm cho mômen từ tổng cộng của toàn bộ vật liệu trở
về giá trị 0. Sự thay đổi của từ trường ngoài từ giá trị dương sang giá trị âm và ngược lại tạo ra sự thay đổi của cảm ứng từ hay từ độ. Đường cong từ trễ được hoàn thành khi biễu diễn đồ thị M(H) hoặc B(H) từ từ trường bão hòa dương tới từ trường bão hòa âm và ngược lại. Hình 1.3a biễu diễn các đường cong từ trễ đặc trưng của vật liệu từ cứng và vật liệu từ mềm. Giá trị HC của các vật liệu từ cứng nằm trong khoảng từ 0,5 T (5 kG) tới 2,0 T (20 kG), trong khi HC của các vật liệu từ mềm chỉ khoảng 10-4 T (1G).
Hình 1. 2. Vách Bloch giữa các đômen trong vật liệu sắt từ (a), các vách Bloch
trong vật liệu sắt từ bị loại bỏ bởi từ trường ngoài có cường độ tăng dần. Từ trường ngoài có cường độ tăng dần được biểu diễn bằng mũi tên màu xám (b).
Hình 1. 3. Các đường cong từ trễ đặc trưng của vật liệu từ cứng và vật liệu từ mềm
Các vật liệu từ mềm được sử dụng rộng rãi trong các mạch điện tử công suất, cụ thể trong các máy biến thế, các bộ khuếch đại từ, các bộ cảm ứng hoặc dùng làm các chất xúc tác, các dung dịch từ,… Hai loại vật liệu từ mềm được sử dụng phổ biến hiện nay là các vật liệu dựa trên hợp kim của Fe và Ni như NiFe và các vật liệu sắt ôxít như Fe3O4. Trong khi NiFe thường được chế tạo ở dạng màng với dị hướng từ kiểm soát được trong quá trình chế tạo và được dùng trong các máy biến thế, các bộ dẫn từ, các cảm biến từ thì Fe3O4 thường được chế tạo ở dạng bột, hạt với hình dạng và kích thước đồng đều, đường kính hạt và độ cảm từ của hạt có thể điều khiển được trong quá trình chế tạo [24, 25, 34]. Các hạt ôxít sắt trong những năm gần đây thường được sử dụng cho việc đánh dấu từ và các ứng dụng trong y sinh.
Đối với vật liệu từ cứng, chúng ta còn quan tâm tới năng lượng từ hóa là đại lượng được tính qua tích số (B.H) trong phần đường cong khử từ nằm trong góc phần tư thứ hai của đường cong B(H). Đồ thị (BH)(H) biễu diễn sự phụ thuộc của năng lượng từ hóa vào từ trường ngoài trong hình 1.3b cho biết mỗi vật liệu đều có một giá trị năng lượng từ hóa cực đại ((BH)max). Giá trị này chính là năng lượng cực đại mà vật liệu có thể có. Cùng với MR và HC, (BH)max là các thông số quan trọng để đánh giá chất lượng của các vật liệu từ cứng.
Các vật liệu từ cứng có MR, HC và (BH)max lớn thường được sử dụng để chế tạo nam châm. Tuy nhiên để tăng hiệu quả sử dụng nam châm và nâng cao khả năng ứng dụng của các nam châm thì năng lượng của các nam châm cần được giữ ổn định trong khi thể tích thu nhỏ lại để giảm chi phí sản xuất và dễ dàng tích hợp vào các thiết bị và hệ thống. Bảng 1.1 dưới đây trình bày một số thông số điển hình của các vật liệu từ dùng làm nam châm vĩnh cửu phổ biến hiện nay. Và hình 1.4 biểu diễn sự thay đổi của (BH)max tương ứng với thể tích vật liệu theo thời gian của một số vật liệu từ cứng điển hình [38]. Có thể thấy (BH)max đã tăng gấp đôi cứ mỗi 12 năm trong thế kỷ 20. Năm 1967, nghiên cứu của Strnat và các cộng sự đã khởi đầu cho sự phát triển nhanh chóng của các nam châm đất hiếm [105]. Ngày nay, khoảng 95% giá trị cực đại lý thuyết của mật độ năng lượng (BH)max dựa trên pha Nd2Fe14B có thể đạt được trong
các lớp vật liệu NdFeB nung thiêu kết sản xuất thương mại với HC đạt được có thể vượt quá yêu cầu thực tế.
Bảng 1. 1. MS, từ trường dị hướng (HA), (BH)max, nhiệt độ Curie (TC), mật độ khối () và khả năng chống ăn mòn của các vật liệu từ cứng phổ biến dùng làm nam châm hiện nay [38]. Vật liệu MS (104 G) HA (104 G) (BH)max (kJ/m3) TC (K) (g/cm3) Khả năng chống ăn mòn Nd2Fe14B 1,6 7,6 514 585 7,6 Kém SmCo5 1,0 40,0 220 1000 8,6 Kém Sm2Co17 1,3 6,4 333 1173 8,7 Kém Sm2Fe17N3 1,5 21,0 472 749 7,7 Kém FePt-L10 1,4 11,6 407 750 15,1 Tốt CoPt-L10 1,0 4,9 200 840 15,2 Tốt α-Fe 2,2 - - 1043 7,9 Kém BaFe12O19 0,5 1,8 - 742 5,3 Tốt
Hình 1. 4. Sự phát triển của của các vật liệu từ cứng trong thế kỷ 20 và sự so sánh
Mặc dù (BH)max thường được xem là tham số quan trọng nhất của các nam châm, việc cải thiện các tham số từ và phi từ khác như đường cong từ hóa ban đầu, tính đồng nhất của tính chất từ, độ ổn định hóa học (khả năng chống ăn mòn), độ ổn định nhiệt (tính chịu nhiệt), cơ tính (tính chịu mài mòn), xử lý hình học hoặc chi phí cũng có tác động lớn tới việc tăng cường phẩm chất, khả năng ứng dụng và thương mại của các nam châm từ. Các vật liệu từ cứng được sử dụng nhiều hiện nay là Nd2Fe14B, SmCo5 và FePt. Trong đó Nd2Fe14B là vật liệu dẫn đầu với các tính chất nổi bật và đã được nghiên cứu nhiều trên thế giới, chế tạo thành công dưới dạng khối và màng mỏng [11, 62, 69, 74, 101, 102, 116]. Giống như Nd2Fe14B, SmCo5 là vật liệu từ cứng dựa trên hợp kim đất hiếm 4f – kim loại chuyển tiếp 3d nhưng với tỉ lệ nguyên tố 4f nhỏ hơn [19, 38]. Các vật liệu trên đều có nhược điểm là sử dụng vật liệu đất hiếm đắt tiền và dễ bị ăn mòn do chịu ảnh hưởng của môi trường (nhiệt độ, độ ẩm,…). Hợp kim Fe- Pt có tính chất từ cứng tương đương vật liệu Sm-Co và thấp hơn Nd-Fe-B. Nhờ việc sử dụng kim loại quý Pt nên các tính chất cơ, hóa tính được tăng cường [19, 38].