Trong nam chõm thiờu kết Nd-Fe-B, cú cỏc hạt từ kớch thước vài micromet được liờn kết nhau bởi một pha phi từ giàu Nd ở biờn hạt. Vật liệu này cú tớnh dị hướng cao, tớch năng lượng cực đại (BH)max khỏ lớn, kỷ lục (BH)max hiện nay đạt được trong phũng thớ nghiệm là 57 MGOe, đạt 86% giỏ trị (BH)max tớnh theo lý thuyết (64 MGOe) và cú lực khỏng từ Hc trờn 10 kOe. Hiện nay nam chõm loại này chiếm một tỷ phần lớn về giỏ trị trong cụng nghiệp nam chõm. Loại nam chõm này đó cú rất nhiều ứng dụng trong thực tế.
1.3.2. Nam chõm kết dớnh Nd-Fe-B
Nam chõm k t dớnh g m cỏc h t h p kim trờn c s Ndế ồ ạ ợ ơ ở 2Fe14B được ch t o b ng phế ạ ằ ương phỏp ngu i nhanh (melt-spinning) hay phộ ương phỏp phõn h y-tỏi h p trong khớ Hydroủ ợ (HDDR - Hydrogenation Dispropotionation Desorption and Recombination) cỏc h t h p kim n y ạ ợ à được k t dớnh v i nhau b ng keo h u c .ế ớ ằ ữ ơ
M c dự, nam chõm k t dớnh cú tớch n ng lặ ế ă ượng (BH)max nh (< 12 MGOe), nh ng ỏ ư
v n thu hỳt r t nhi u cỏc nh khoa h c b i kh n ng phỏt tri n v ng d ng r ng róiẫ ấ ề à ọ ở ả ă ể à ứ ụ ộ
c a chỳng trong th c t , do giỏ th nh r , ủ ự ế à ẻ độ ề b n cao v d ch t o theo hỡnh d ng à ễ ế ạ ạ
mong mu n. Vi c u trỳc c a v t li u n y cú kớch thố ấ ủ ậ ệ à ước nanụ. kớch thỞ ướ à ậc n y v t li u cú nh ng tớnh ch t m i m kớch thệ ữ ấ ớ à ở ước thụng thường chỳng khụng th cú ể
c.
1.4. Cấu trỳc và tớnh chất của vật liệu nanocomposite Nd-Fe-B
1.4.1. Cấu trỳc của vật liệu nanocomposite Nd-Fe-B
Vật liệu nanocomposite hay cũn gọi là nam chõm đàn hồi là vật liệu tổ hợp hai pha cứng mềm ở kớch thước nanomet (hỡnh 1.5).
Hỡnh 1.5. Sơ đồ mụ phỏng cấu trỳc vật liệu nanocomposite Nd-Fe-B.
Với cấu trỳc nanomet cỏc hạt từ cứng (Nd2Fe14B) liờn kết với cỏc hạt từ mềm (α-Fe, Fe3B) thụng qua tương tỏc trao đổi đàn hồi. Tương tỏc này làm cỏc vộctơ mụmen từ của hạt từ mềm bị "khoỏ" bởi cỏc hạt từ cứng nờn khú đảo chiều dưới tỏc dụng của từ trường ngoài, như vậy cỏc hạt từ mềm đó bị "cứng" húa. Do đú, chỳng cú Hc cỡ như của pha từ cứng nhưng từ độ bóo hũa của chỳng Msm lại lớn hơn Ms,c của pha từ cứng nờn cú khả năng cho (BH)max lớn. Một cỏch lý tưởng là làm sao kết hợp được ưu điểm từ độ bóo hũa cao của pha từ mềm và tớnh dị hướng từ lớn của pha từ cứng để tạo ra vật liệu cú phẩm chất từ tốt như được minh họa trờn hỡnh 1.6.
Pha cứng
Nam chõm đàn hồi H H H M M M
Hỡnh 1.6. Sơ đồ mụ phỏng sự kết hợp pha từ cứng và từ mềm của vật liệu nanocomposite.
1.4.2. Tớnh chất của vật liệu nanocomposite Nd-Fe-B
Lực khỏng từ và độ vuụng đường trễ của vật liệu này phụ thuộc vào vi cấu trỳc. Lực khỏng từ thay đổi trong khoảng khỏ rộng từ cỡ 2 kOe đến cỡ 15 kOe và tớch năng
lượng thay đổi trong khoảng từ vài MGOe đến 20 MGOe. Nhiệt độ Curie của vật liệu này được quyết định bởi pha từ cứng Nd2Fe14B (~ 585 K). Đó cú rất nhiều cỏc cụng trỡnh nghiờn cứu cả về lý thuyết lẫn thực nghiệm để tỡm ra vi cấu trỳc tối ưu cho loại vật liệu này.
Griffith M.K và cỏc cộng sự [43] đó quan sỏt trờn cỏc hệ hạt cú kớch thước nhỏ hơn 20 nm và thấy rằng khi cỏc hạt nanụ lõn cận tương tỏc với nhau, trục dễ từ húa ở vựng giỏp ranh cú thể bị biến đổi dẫn đến tăng cường độ từ dư. Nhưng kớch thước hạt nhỏ cũng làm giảm dị hướng từ và do đú làm giảm lực khỏng từ. Hiện tượng từ độ dư được tăng cường được giải thớch một cỏch định tớnh là do tương tỏc
của cỏc hạt thực hiện thụng qua mụmen từ ở bề mặt, làm cho định hướng của cỏc mụnen này lệch khỏi trục từ húa dễ địa phương của chỳng.
Hỡnh 1.7. Cấu trỳc từ trong quỏ trỡnh khử từ vật liệu nanocomposite hai pha cứng-mềm [6].
Mụ hỡnh lý tưởng của vật liệu nanocomposite Nd-Fe-B, gồm cỏc lớp từ cứng xen kẽ với cỏc lớp từ mềm. Nghĩa là một lớp pha từ mềm nằm giữa hai lớp từ cứng mụ men từ nguyờn tử của cỏc lớp này được giả thiết là song song với nhau như trờn hỡnh 1.7. Cấu hỡnh mụmen từ của lớp từ mềm được xỏc định bởi sự cõn bằng năng lượng trao đổi và năng lượng Zeeman. Cỏc mụmen từ quay một cỏch liờn tục, giống như cấu hỡnh mụmen từ trong một vỏch đụ-men, từ gúc θ = 0 ở bề mặt đến θ = θmax ở tõm của lớp mềm khi từ trường ngoài tỏc dụng. Từ trường ngoài nhỏ, lớp từ mềm giữ định hướng hoàn toàn dọc theo hướng từ độ của pha cứng như kết quả của tương tỏc qua cỏc bề mặt. Khi trường ngoài tiếp tục tăng, vỏch đụ-men trong lớp mềm ộp liờn tục vào bề mặt tiếp xỳc giữa hai lớp cứng-mềm, cho đến khi nú thõm nhập vào trong lớp cứng và quỏ
trỡnh đảo từ hoàn toàn xảy ra. Trường tạo mầm Hn, trường mà tại đú diễn ra sự đảo từ độ từ trạng thỏi bóo hũa, theo [31] được tớnh bởi cụng thức:
2 12 s n s s A H M d = (1.4) trong đú, Ms, As và ds là từ độ, hằng số trao đổi và chiều dày của lớp từ mềm.
Trong trường hợp cỏc bề mặt tiếp xỳc giữa cỏc pha sắc nột và giả sử từ độ và hằng số trao đổi là tương tự ở cả hai kiểu lớp, trường lan truyền, Hp được tớnh bởi Aharoni [11]. Lỳc dh nhỏ, Hp sẽ rất nhỏ, khi dh = δh (dh và δh là chiều dầy lớp từ cứng và chiều rộng vỏch đụ-men), Hp tăng đến giỏ trị lớn nhất khoảng 0,5 HA (HA là trường dị hướng pha từ cứng) cũn khi dh→∞, Hp giảm đến 0,25 HA. Trường hợp từ độ và hằng số trao đổi trong lớp từ cứng và mềm khỏc nhau về giỏ trị thỡ trường lan truyền rỳt gọn hp = Hp/HA ở dh lớn trở thành: 2 (1 ) p h λ λ = + (1.5) Với λ = MhAh/MsAs và Mh và Ah là từ độ và hằng số trao đổi của lớp từ cứng. Kết quả đo thực nghiệm trường lan truyền cho thấy hp cỡ 0,15. Giỏ trị này nhỏ hơn giỏ trị tớnh toỏn lý thuyết ở trờn. Nguyờn nhõn cú thể do lớp tiếp xỳc giữa cỏc lớp trong vật liệu thực tế khụng sắt nột lý tưởng, trong khi trường lan truyền lại tỉ lệ trực tiếp với đạo hàm của năng lượng vỏch đụ-men trờn diện tớch. Đú là những yếu tố gõy lờn sự sai khỏc trong giỏ trị tớnh toỏn.
1.5. Một số mụ hỡnh lý thuyết cho vật liệu từ cứng nanocomposite Nd-Fe-B
Việc nghiờn cứu tỡm ra biện phỏp để cú tớch năng lượng (BH)max của vật liệu cao là mục tiờu của cỏc nhà nghiờn cứu về vật liệu từ. Nhưng tớch năng lượng (BH)max
ngoài phụ thuộc vào từ độ bóo hũa cũn phụ thuộc vào lực khỏng từ và độ vuụng gúc của đường cong khử từ mà hai yếu tố này phụ thuộc mạnh vào vi cấu trỳc của vật liệu.
Vỡ vậy, việc tỡm ra vi cấu trỳc tối ưu cho từng hệ vật liệu và cỏc biện phỏp cụng nghệ để đạt được vi cấu trỳc mong muốn là vấn đề được cỏc nhà thực nghiệm cũng như lý thuyết đặc biệt quan tõm. Những mụ hỡnh mụ phỏng và mụ hỡnh hoỏ tương tỏc từ trong vật liệu nanocomposite đó cho những kết quả cú giỏ trị về mối liờn hệ giữa tớnh chất từ với vi cấu trỳc của vật liệu như kớch thước hạt, dạng hạt, tỷ phần thể tớch giữa cỏc pha và sự phõn bố của chỳng trong vật liệu làm cơ sở định hướng cho cỏc biện phỏp cụng nghệ [27], [84], [85], [109]. Sau đõy chỳng tụi trỡnh bày một số mụ hỡnh tiờu biểu bao gồm mụ hỡnh Kneller-Hawig (được trỡnh bày tương đối chi tiết) và một số mụ hỡnh khỏc.
1.5.1. Mụ hỡnh E. F. Kneller và R. Hawig (K-H) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Cỏc mụ hỡnh mụ phỏng cấu trỳc vật liệu nanocomposite Nd-Fe-B bao gồm 2 thành phần là thành phần từ cứng và thành phần từ mềm. Trong đú, thành phần từ cứng cho trường khỏng từ cao, cũn thành phần từ mềm cho từ độ bóo hoà lớn và cú thể bao phủ vựng pha từ cứng để ngăn chặn sự ăn mũn. Kneller và cỏc đồng nghiệp sử dụng mụ hỡnh một chiều dựa trờn nguyờn tắc cơ bản là tương tỏc trao đổi giữa pha từ cứng (k) với pha từ mềm (m) [64].
1.5.1.1. Vi cấu trỳc
• Cỏc kớch thước tới hạn
Vi cấu trỳc cần đạt được phải khụng cho phộp cơ chế của sự quay từ độ khụng thuận nghịch ở mỗi pha một cỏch dễ dàng. Một sự ước lượng đơn giản về kớch thước tới hạn tương ứng của cỏc pha cú thể nhận được từ mụ hỡnh một chiều ở hỡnh 1.8 bao gồm một chuỗi cỏc pha k và m xen kẽ nhau với độ rộng 2bk và 2bm tương ứng.
Để đơn giản dị hướng từ tinh thể được giả thiết là đơn trục trong cả hai pha, với hai trục dễ song song với trục z và vuụng gúc với x. Mật độ năng lượng dị hướng phụ thuộc vào gúc giữa M và trục dễ.
Ek = K sin2 (1.6) với K > 0 là hệ số dị hướng từ tinh thể.
Mật độ năng lượng trao đổi cú thể được viết dưới dạng
EA = A(d/dx)2 (1.7) Trong đú A là hằng số cỡ 10-11 J/m ở nhiệt độ phũng, A phụ thuộc vào nhiệt độ Curie TC và nhiệt độ T: A TC [Ms(T)/Ms(0)] 2, là gúc trờn mặt phẳng yz giữa Ms và trục z. Năng lượng trờn một vựng đơn vị của vỏch Bloch 180o ở một vật liệu đồng nhất cú thể được coi gần đỳng là gồm năng lượng dị hướng từ và năng lượng tương tỏc trao đổi:
= K + A(/)2 (1.8)
ở đú là bề dày vỏch. Ở điều kiện cõn bằng () cú giỏ trị cực tiểu (d/d = 0), từ đõy thu được cỏc đại lượng ở trạng thỏi cõn bằng:
0 = (A/K)1/2 (1.9) 0 = 2(A.K)1/2 (1.10)
(b)-(c) Sự khử từ khi tăng từ trường nghịch H trong trường hợp bm >> bcm, (d) Sự khử từ trong trường hợp giảm bm đến kớch thước tới hạn bcm [64].
Xột quỏ trỡnh đảo chiều. Nếu giả thiết rằng pha cứng k cú độ dày hợp lớ tương ứng vào khoảng độ dày tới hạn của nú bk = 0k = (Ak/Kk)1/2. Ban đầu từ độ bóo hũa dọc theo trục z (hỡnh 1.8a), sau đú xuất hiện một trường H đảo chiều tăng dần, độ từ húa sẽ bắt đầu thay đổi từ pha mềm m.
Xột trường hợp bề rộng bm = 0m = (Am/Km)1/2 và 0k = bk (do Km << Kk). Hai vỏch 180o cõn bằng sẽ hỡnh thành sự đảo chiều ở pha m (hỡnh 1.8b). Khi H tăng nhiều hơn (hỡnh 1.8c), cỏc vỏch này sẽ bị dồn về phớa biờn pha k, và mật độ năng lượng ở cỏc vỏch này sẽ tăng trờn giỏ trị cõn bằng Em = m/m > E0m = 0m/0m, trong khi độ từ húa ở
pha k
sk
M
cũn lại về cơ bản khụng thay đổi do Kk>Km. Quỏ trỡnh này sẽ tiếp tục cho đến khi Em gần tới mật độ năng lượng trung bỡnh E0k của vỏch k.
Em = m/m E0k = 0k/0k = 2Kk (1.11) Khi đú vỏch sẽ mở rộng về phớa pha k, do đú dẫn tới sự đảo độ từ húa khụng thuận nghịch của cả hai vựng pha m và pha k. Trường tới hạn Hno thỡ thấp hơn hẳn trường dị hướng của pha k Hno < HAk = 2Kk/Msk. Trường khỏng từ HcM được định nghĩa bởi M(HcM) = 0 và HcM << Hno, do Msm > Msk và cũng bởi giả thiết rằng bm > bk, và do vậy đường cong khử từ giữa Mr(H = 0) và M(HcM = 0) thuận nghịch hoàn toàn.
Xột trường hợp bm giảm tới giỏ trị bm < 0m, Hno giữ khụng đổi, nhưng HcM tăng do H < Hno, bề dày của vỏch 180o ở pha m cơ bản gần với m bm < 0m. Độ rộng tới hạn của pha m bcm cho độ khỏng từ HcM lớn nhất được xỏc định bởi 1.11 với m = bcm.
m(m) ∼ mAm(/m)2
Mật độ năng lượng: Em = m/m = Am(/m)2
Thay kết quả này vào (1.11) và đặt m = bcm suy ra kớch thước tới hạn của pha m: bcm = (Am/2Kk)1/2 (1.12)
Đối với pha k bề dày tới hạn khụng thể nhận được từ lớ thuyết. Dựa vào cỏc kết quả thực tế thỡ phự hợp lấy bck vào khoảng bề dày của vỏch lỳc cõn bằng bck 0k = (Ak/Kk)1/2 như đó được giả thiết ban đầu. Do hầu hết Ak < Am vỡ vậy nhỡn chung cỏc nhiệt độ Curie của cỏc vật liệu k thấp, bck cỡ khoảng độ lớn của bcm: bck bcm.
• Tỉ số thể tớch của cỏc pha
Dạng hỡnh học tối ưu của vi cấu trỳc làm cực tiểu tỉ lệ thể tớch của pha k vk = Vk/V (Vk là thể tớch của pha k; V là tổng thể tớch của vật liệu) dưới cỏc điều kiện cỏc kớch thước cõn bằng bờn trong hai pha, bcm = bck (phương trỡnh 1.12) và sự bao bọc húa học của pha m đối với pha k. Tựy thuộc bản chất từng loại vật liệu mà kết quả tớnh cú những giỏ trị cụ thể khỏc nhau.
Hạt từ cứng
2bck
2bcm
từ mềm (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hỡnh 1.9. Cấu trỳc hai chiều lý tưởng của nam chõm đàn hồi.
Tuy nhiờn, chỳng ta cú thể núi rằng kiểu vi cấu trỳc được tỡm kiếm là một sự phõn bố đồng nhất của một pha k trong một pha m. Với giả định hợp lớ rằng pha k với đường kớnh vài nm là hỡnh cầu (bề mặt nhỏ nhất trờn tỉ lệ thể tớch) và được phõn bố trong khụng gian gần đỳng theo mạng fcc (lập phương tõm mặt) như được chỉ ở hỡnh 1.9.Từ đú thu
được vk = /24 2 0,09. Với mạng bcc (lập phương tõm khối) cũng thu được cựng
kết quả vk = 3/64 0,09.
Biết vk ta tớnh được độ từ húa trung bỡnh của vật liệu:
Ms = vkMsk + (1 - vk)Msm (1.13) Với Msk < Msm và vk = 0,09 ta được Ms Msm.
Nghĩa là khi kớch thước cỏc pha từ tối ưu bck ≈ bcm thỡ tỷ phần pha từ cứng chỉ bằng 9% thể tớch vật liệu.
1.5.1.2. Biểu hiện từ
• Chu trỡnh trễ và đường cong khử từ
∆Mrev
Kớch thước
hạt từ mềm lớn hơn kớch thước tới hạn Kớch thước hạt từ mềm bằng kớch thước tới hạn
∆Mrev
Hỡnh 1.10. Cỏc đường cong khử từ điển hỡnh. Nam chõm đàn hồi với vi cấu trỳc tối ưu, bm = bcm (a). Nam chõm đàn hồi với vi cấu trỳc dư thừa pha từ mềm, bm >>bcm (b). Nam
chõm sắt từ đơn pha thụng thường (c). Nam chõm hỗn hợp hai pha sắt từ độc lập (d) [39].
Đối với cỏc cặp pha đó biết, dải thuận nghịch của M: ∆Mrev (là giỏ trị thay đổi của M trong khoảng từ trường thuận nghịch) phụ thuộc vào tỉ phần thể tớch của pha cứng vk hoặc pha mềm vm = 1 - vk, vào tỉ số Msm/Msk và vào kớch thước của pha từ mềm m (bm). Khi vk và Msm/Msk cố định, ∆Mrev nhỏ nhất với bm bcm (vi cấu trỳc tối ưu hỡnh 1.10a) và tăng khi bm > bcm (trạng thỏi trung bỡnh hỡnh 1.10b), do Hno giữ khụng đổi. Khi vm lớn, vớ dụ vm = 0,8, ∆Mrev cú thể vượt quỏ độ từ dư bóo hũa ∆Mrev > Mr
(hỡnh 10b).
Với đặc trưng này và biểu hiện từ khỏ điển hỡnh, cú một ý nghĩa tương tự với một lũ xo cơ học, do đú cỏc nam chõm này được gọi là nam chõm đàn hồi. Tớnh thuận nghịch nổi bật cựng với độ từ dư cao và lực khỏng từ cao của chỳng để phõn biệt chỳng với cỏc nam chõm vĩnh cửu pha sắt từ đơn thụng thường cú đường cong khử từ khụng thuận nghịch (hỡnh 1.10c). Để minh họa rừ hơn cỏc đặc điểm này, vài chu trỡnh nhỏ được vẽ ở hỡnh 1.10a – 1.10c, chỳng nhận được khi giảm từ trường tới 0 và lại tăng từ trường ở cỏc điểm khỏc nhau dọc theo đường cong khử từ. Nếu khụng cú trao đổi đàn hồi thỡ chu trỡnh từ trễ sẽ như ở hỡnh 1.10d.
• Tỉ lệ độ từ dư bóo hũa mr = Mr/Ms
Giỏ trị mr phụ thuộc vào cỏc pha chiếm giữ. Một sự tớnh toỏn định lượng của mr
với một cặp pha cho trước nhỡn chung là khú vỡ nú đũi hỏi xử lớ vi từ của cỏc hệ phức hợp nhiều vật từ. Do vậy, chỳng ta sẽ chỉ mụ tả ở đõy đặc tớnh của vấn đề và trờn cơ