1
LỜI CẢM ƠN
Trước hết tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS. TS Nguyễn Huy Dân và
PGS. TS Nguyễn Minh Thủy những người đã dành cho tôi sự giúp đỡ tận tình và
những định hướng khoa học hiệu quả trong suốt quá trình làm nghiên cứu sinh.
Tôi xin được ghi ơn sự chỉ bảo, giúp đỡ và khích lệ của GS. TSKH Nguyễn
Xuân Phúc, PGS. TS Lê Văn Hồng và GS. TS Nguyễn Quang Liêm đã giành cho tôi trong
những năm qua.
Tôi xin được cảm ơn sự cộng tác và giúp đỡ đầy hiệu quả của TS Vũ Hồng Kỳ, TS
Trần Đăng Thành, TS Đỗ Hùng Mạnh, TS Lưu Tiến Hưng, TS Đoàn Minh Thủy, TS Vũ Đình
Lãm, ThS Phạm Thị Thanh, ThS Nguyễn Hải Yến, ThS Nguyễn Thị Mai và của các cán bộ,
đồng nghiệp khác trong Viện Khoa học Vật liệu - Viện Khoa học và Công nghệ Việt
Nam, nơi tôi hoàn thành luận án.
Tôi xin trân trọng cảm ơn sự giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi của cơ sở đào
tạo là Viện Khoa học Vật liệu và của Trường Đại học Công nghiệp Quảng Ninh - cơ
quan mà tôi công tác, trong quá trình thực hiện luận án.
Luận án được thực hiện tại Phòng thí nghiệm Trọng điểm về Vật liệu và Linh
kiện điện tử và Phòng Vật lý Vật liệu Từ và Siêu dẫn, Viện Khoa học Vật liệu và được
hỗ trợ kinh phí của đề tài nghiên cứu cơ bản NAFOSTED (mã số 103.02.40.09), đề tài
cấp cơ sở Viện Khoa học Vật liệu và đề tài nghiên cứu khoa học cấp Trường Đại học
Công nghiệp Quảng Ninh.
Sau cùng, tôi muốn gửi tới tất cả những người thân trong gia đình và bạn bè
lời cảm ơn chân thành nhất. Chính sự tin yêu mong đợi của gia đình và bạn bè đã tạo
động lực cho tôi thực hiện thành công luận án này.
Hà Nội, ngày tháng năm 2012
1
1
2
Tỏc gi lun ỏn
Nguyn Th Thanh Huyn
Lời CAM ĐOAN
µ
0
: Độ từ thẩm của chân không
(BH)
max
: Tích năng lượng cực đại
α
: Hệ số phức
δ
m
: Độ dày vách pha từ mềm
b
m
, b
k
: Độ dày vùng pha từ mềm, độ dày vùng pha từ cứng
d
h
: Chiều dày lớp từ cứng
D : Hệ số trường khử từ
E
A
: Mật độ năng lượng trao đổi
E
k
: Năng lượng dị hướng từ tinh thể
F
K
: Năng lượng dị hướng
: Trường nội tại
H
P
: Trường lan truyền vách đômen
h
p
: Trường lan truyền rút gọn
I
r
, J
r
, M
r
: Từ độ dư
J : Số lượng tử của mômen từ toàn phần nguyên tử đất hiếm
J
TT
: Hằng số trao đổi của phân mạng kim loại chuyển tiếp
J
RT
: Hằng số trao đổi liên phân mạng
K
1
, K
2
, K
3
: Các hằng số dị hường từ tinh thể
k
B
T
RT
: Nhiệt độ Curie gây bởi tương tác đất hiếm và kim loại chuyển tiếp
T
m
: Nhiệt độ nóng chảy
T
g
: Nhiệt độ thủy tinh hóa
t
a
: Thời gian ủ nhiệt
Z
RT
: Số nguyên tử kim loại chuyển tiếp lân cận một nguyên tử đất hiếm
Z
TR
: Số nguyên tử đất hiếm lân cận một nguyên tử kim loại chuyển tiếp
4
4
5
II. DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
C-C-T : Giản đồ nhiệt chuyển pha liên tục
HDDR : Phương pháp tách vỡ tái hợp trong khí Hidro
HRTEM : Hiển vi điện tử quét độ phân giải cao
MA : Hợp kim cơ học
NCNLC : Nghiền cơ năng lượng cao
L : Lỏng
LQN : Lỏng quá nguội
RE : Đất hiếm
5
5
6
Bảng 1.3. Tính chất từ của một số nam châm nanocomposite NdFeB đã được nghiên
cứu trên thế giới theo các phương pháp khác nhau (MS: Nguội nhanh; A:
Có ủ nhiệt).
Bảng 1.4. Các thông số từ của một số nam châm kết dính Nd-Fe-B trên thị trường.
Bảng 3.1. Lực kháng từ H
c
của hợp kim Nd
10,5-x
Fe
82
Co
x
Nb
1,5
B
6
(x = 0, 2, 4 và 6) chưa ủ
nhiệt và ở các nhiệt độ ủ T
a
khác nhau.
Bảng 3.2. Tích năng lượng cực đại (BH)
max
của hợp kim Nd
10,5-x
Fe
82
Co
x
Nb
3
B
6
(x = 0, 2, 4 và 6) ủ tại các
nhiệt độ khác nhau.
Bảng 3.5. Tích năng lượng cực đại (BH)
max
của băng Nd
10,5-x
Fe
80,5
Co
x
Nb
3
B
6
(x = 0, 2, 4
và 6) ủ tại các nhiệt độ khác nhau.
Bảng 3.6. Giá trị lực kháng từ H
c
của băng Nd
4-x
Pr
x
Fe
78
B
88,5-x-y
B
4+y
(x
=0 ÷ 6, y = 0 ÷ 12) ủ ở các nhiệt độ khác nhau.
B ng 4.1. ả Kích th c trung bình h t tinh th c a các m u v i các th i gian nghi nướ ạ ể ủ ẫ ớ ờ ề
khác nhau c xác nh b ng công th c Scherrer v nh SEM.đượ đị ằ ứ à ả
B ng 4.2. ả Các i u ki n công ngh v thông s t thu c cho 3 lo i nam châm đ ề ệ ệ à ố ừ đượ ạ
n h i.đà ồ
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Sự phát triển của nam châm vĩnh cửu trong thế kỷ 20 [27].
6
6
7
Hình 1.2. Cấu trúc tinh thể của hợp kim Nd
2
Fe
14
B (a), nguyên tử B và 6 nguyên tử Fe
(vị trí e và k
1
) tạo thành hình lăng trụ đứng đáy tam giác (b) [13].
Hình 1.3. Sơ đồ mô tả năng lượng dị hướng từ tinh thể của tinh thể sắt từ [3].
Hình 1.4. Các đường cong đặc trưng: từ độ và cảm ứng từ phụ thuộc vào từ trường
ngoài của vật liệu sắt từ [54].
Hình 1.5. Sơ đồ mô phỏng cấu trúc vật liệu nanocomposite Nd-Fe-B.
Hình 1.6. Sơ đồ mô phỏng sự kết hợp pha từ cứng và từ mềm của vật liệu
nanocomposite.
Hình 1.7. Cấu trúc từ trong quá trình khử từ vật liệu nanocomposite hai pha cứng-mềm [6].
Hình 1.8. Mẫu vi cấu trúc một chiều của vật liệu composite tương tác trao đổi được
Hình 1.15. Giản đồ T.T.T hợp kim một cấu tử. L - trạng thái lỏng, TT - trạng thái
tinh thể LQN - trạng thái quá nguội [1].
Hình 1.16. Giản đồ C-C-T cho vật liệu nanocomposite Nd-Fe-B với các đường cong
nguội liên tục tương ứng với các tốc độ nguội khác nhau [97].
Hình 1.17. Sự va đập của các hạt bột giữa hai viên bi trong quá trình nghiền cơ.
Hình 1.18. Ảnh bột hợp kim (a) và nam châm kết dính trên thị trường (b).
Hình 2.1. Sơ đồ khối của hệ nấu mẫu bằng hồ quang.
7
7
8
Hình 2.2. a) Ảnh hệ nấu hợp kim hồ quang: (1) bơm hút chân không, (2) buồng nấu mẫu, (3) tủ điều
khiển, (4) bình khí Ar, (5) nguồn điện. b) Ảnh bên trong buồng nấu: (6) điện cực, (7) nồi
nấu, (8) cần lật mẫu.
Hình 2.3. Sơ đồ khối của hệ phun băng nguội nhanh đơn trục.
Hình 2.4. a) Thiết bị phun băng nguội nhanh: 1. bơm hút chân không, 2. buồng mẫu, 3. nguồn phát
cao tần. b) Bên trong buồng tạo băng: 4. trống quay, 5. vòng cao tần, 6. ống thạch anh.
Hình 2.5. Máy nghiền cơ SPEX 8000D (a), cối và bi nghiền (b).
Hình 2.6. Sơ đồ khối của BOX khí Ar.
Hình 2.7. Ảnh thực của BOX khí Ar.
Hình 2.8. Ảnh thiết bị ủ nhiệt.
Hình 2.9. Các thiết bị dùng để ép nam châm kết dính. a) khuôn ép, (b) lò gia nhiệt, (c) máy ép thủy
lực.
Hình 2.10. Đồ thị biểu diễn tốc độ gia nhiệt cho máy ép viên.
Hình 2.11. Thiết bị Siemen D-5000.
Hình 2.12. Kính hiển vi điện tử quét HITACHI S-4800.
Hình 2.13. Kính hiển vi điện tử truyền qua Philip CM20-FEG (gia tốc 200kV;
Cs=1,2) Tại Viện Vật lý, TU-Chemnitz, CHLB Đức.
Hình 2.14. Ảnh hệ đo VSM.
Hình 2.15. Sơ đồ nguyên lý hệ đo từ trường xung [10].
Hình 2.16
Fe
83,5-x
Nb
x
B
6
(x = 0; 1,5 và 3) với v =
30 m/s sau khi ủ ở nhiệt độ 675
o
C trong 10 phút.
8
8
9
Hình 3.4. Các đường từ trễ của mẫu băng Nd
10,5
Fe
83,5-x
Nb
x
B
6
(x = 0; 1,5 và 3) đã ủ ở
nhiệt độ 675
o
C trong thời gian 10 phút (a) và lực kháng từ H
c
phụ thuộc
nhiệt độ ủ T
a
.
Hình 3.8. Các đường từ trễ của hợp kim Nd
10,5-x
Fe
82
Co
x
Nb
1,5
B
6
(x = 0, 2, 4, và 8)
trước khi ủ nhiệt.
Hình 3.9. Các đường từ trễ của băng hợp kim Nd
10,5-x
Fe
82
Co
x
Nb
1,5
B
6
(x = 0, 2, 4 và 6) ủ ở
các nhiệt độ 650
o
C, 675
o
C, 700
o
C, 725
Hình 3.12. Các đường từ trễ của hợp kim Nd
10,5-x
Fe
80,5
Co
x
Nb
3
B
6
(x = 0, 2, 4, và 6) với
các tốc độ trống quay khác nhau trước khi ủ nhiệt.
Hình 3.13. Đường từ trễ của mẫu băng Nd
10,5-x
Fe
80,5
Co
x
Nb
3
B
6
với x = 0 (a), x = 2 (b), x
= 4 (c), x = 6 (d) với v = 20 m/s được ủ ở nhiệt độ khác nhau trong 10 phút.
Hình 3.14. Sự phụ thuộc của kháng H
c
(a) và tích năng lượng cực đại (BH)
max
(b) vào
nhiệt độ ủ T
Fe
78
B
18
(x = 0, 1, 2, 3 và 4) chưa
ủ nhiệt.
Hình 3.17. Giản đồ XRD của các mẫu băng Nd
4-x
Pr
x
Fe
78
B
18
(x = 0, 1, 2, 3 và 4)
được ủ ở nhiệt độ 650
o
C trong 10 phút.
Hình 3.18. Đường cong từ trễ của các mẫu băng Nd
4-x
Pr
x
Fe
78
B
18
(x = 0, 1, 2, 3 và 4)
chưa ủ nhiệt.
9
9
của hợp kim Nd
4-
x
Pr
x
Fe
78
B
18
(x =1, 2, 3 và 4).
Hình 3.22. Đường từ trễ của các mẫu băng Nd
4-x
Dy
x
Fe
78
B
18
(x = 0,25; 0,5; 0,75 và
1) ủ nhiệt ở 650
o
C trong 10 phút.
Hình 3.23. Đường từ trễ của các mẫu băng Nd
4,5-x
Dy
x
Fe
80,5
Co
6
Nb
1,5
Fe
88,5-x-y
B
4+y
với x
= 0 (a), x = 2 (b), x = 4 (c) và x = 6 (d) trước khi ủ nhiệt.
Hình 3.26. Các đường cong từ trễ của mẫu (Nd
0,5
Pr
0,5
)
6+x
Nb
1,5
Fe
88,5-x-y
B
4+y
với x
= 0 (a), x = 2 (b), x = 4 (c) và x = 6 (d) được ủ ở nhiệt độ tối ưu tương
ứng là 750
o
C, 725
o
C, 675
o
C và 675
o
C trong 10 phút.
Hình 4.2. Sự phụ thuộc của lực kháng từ H
c
vào nhiệt độ ủ tạo pha tinh thể T
a
của hợp
kim Nd
4
Fe
78
B
18
(a) và Nd
10,5
Fe
80,5
Nb
3
B
6
(b) với tốc độ phun băng khác nhau.
Hình 4.3. Sự phụ thuộc của lực kháng từ H
c
vào nhiệt độ ủ tạo pha tinh thể T
a
của
hợp kim Nd
4-x
Pr
x
Co
x
Nb
3
Fe
80,5
B
6
(x = 0, 2, 4 và 6).
Hình 4.6. Sự phụ thuộc của lực kháng từ H
c
vào nhiệt độ ủ T
a
của hệ Nd
10,5
Nb
x
Fe
80,5-
x
B
6
(x = 1,5 và 3).
10
10
11
Hình 4.7. Giản đồ XRD của các mẫu Nd-Fe-B được nghiền trong các khoảng thời
gian khác nhau.
Hình 4.8. Ảnh SEM của các mẫu Nd-Fe-B được nghiền trong các khoảng thời gian
khác nhau: 3 h (a), 5 h (b), 7 h (c) và 10 h (d).
82
B
6
(a) và (Nd
0,5
Pr
0,5
)
10,5
Fe
82
Nb
1,5
B
6
(b).
MỤC LỤC
Lời cảm ơn
Lời cam đoan
Trang
i
ii
11
11
12
Danh mục các ký hiệu và các chữ viết tắt
Danh mục các bảng
Danh mục các hình vẽ và đồ thị
MỞ ĐẦU
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU TỪ CỨNG .NANOCOMPOSITE Nd-Fe-B
13
13
13
13
14
16
17
24
27
27
12
12
13
1.6.2. Phương pháp nghiền cơ năng lượng cao
1.6.3. Các phương pháp khác
1.7. Các yếu tố ảnh hưởng lên tính chất từ của vật liệu nanocomposite Nd-Fe-B
1.7.1. Ảnh hưởng của điều kiện công nghệ
1.7.2. Ảnh hưởng của các nguyên tố pha thêm
1.8. Ứng dụng và thị trường của vật liệu nanocomposite Nd-Fe-B
1.9. Nghiên cứu và phát triển vật liệu nanocomposite Nd-Fe-B ở Việt Nam
Kết luận chương 1
Chương 2. KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM
2.1. Chế tạo mẫu hợp kim Nd-Fe-B
2.1.1. Chế tạo các hợp kim khối Nd-Fe-B bằng lò hồ quang
2.1.2. Chế tạo băng hợp kim Nd-Fe-B bằng phương pháp nguội nhanh…
2.1.3. Chế tạo hợp kim Nd-Fe-B bằng phương pháp nghiền cơ năng
lượng cao
2.1.4. Xử lý nhiệt mẫu hợp kim Nd-Fe-B
2.1.5. Ép tạo viên nam châm kết dính
2.2. Các phương pháp nghiên cứu cấu trúc
Kết luận chương 2
Chương 3. ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ NGUYÊN TỐ LÊN CẤU TRÚC VÀ TÍNH
CHẤT TỪ CỦA VẬT LIỆU TỪ CỨNG NANOCOMPOSITE Nd-Fe-B
3.1. Cải thiện vi cấu trúc và ổn định công nghệ chế tạo vật liệu
nanocomposite Nd-Fe-B bằng cách thêm Nb ……
3.2. Nâng cao nhiệt độ Curie của vật liệu nanocomposite Nd-Fe-B bằng cách
thêm Co
3.3. Tăng cường lực kháng từ của vật liệu nancomposite Nd-Fe-B bằng cách
thêm Pr và Dy
3.4. Tỷ phần Fe/B tối ưu của của vật liệu nanocomposite Nd-Fe-B với các
nồng độ đất hiếm khác nhau
Kết luận chương 3
Chương 4. ẢNH HƯỞNG CỦA CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO LÊN TÍNH CHẤT TỪ CỦA
VẬT LIỆU TỪ CỨNG NANOCOMPOSITE Nd-Fe-B
4.1.Ảnh hưởng của hợp phần và tốc độ làm nguội lên nhiệt độ ủ tối ưu của
vật liệu nanocomposite Nd-Fe-B
4.2. Nghiên cứu chế tạo vật liệu nanocomposite Nd-Fe-B bằng phương pháp
nghiền cơ năng lượng cao
4.3. Thử nghiệm chế tạo nam châm kết dính Nd-Fe-B
Kết luận chương 4
KẾT LUẬN CHUNG
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ
60
64
65
65
65
71
84
101
2
Fe
14
B) có kích thước nanomet [25]. Ở kích thước này, hiệu ứng tương
tác trao đổi đàn hồi giữa pha từ cứng và pha từ mềm cho phép khai thác được cả từ độ
bão hòa lớn của pha từ mềm và lực kháng từ cao của pha từ cứng, để tạo nên một vật
liệu có tích năng lượng (BH)
max
lớn. Loại vật liệu này có thể chỉ cần một lượng Nd bằng
khoảng 1/3 so với nam châm thiêu kết Nd
2
Fe
14
B thông thường, nên làm tăng độ bền cơ
học, hóa học và giảm đáng kể giá thành. Mặt khác, công nghệ chế tạo cũng đơn giản
hơn và dễ dàng tạo được nam châm có hình dạng phức tạp theo yêu cầu. Với những ưu
điểm đó, nó được nhiều phòng thí nghiệm quan tâm nghiên cứu, nên tốc độ tăng trưởng
hàng năm khoảng 20% cao hơn cả tốc độ tăng trưởng của nam châm thiêu kết [56]. Tuy
nhiên, VLTC nanocomposite nền Nd-Fe-B vẫn còn một số yếu điểm cần được khắc
phục như lực kháng từ H
c
chưa cao, tích năng lượng cực đại (BH)
max
thực tế nhỏ hơn 20
MGOe còn cách xa giới hạn lý thuyết (theo lý thuyết (BH)
max
đạt trên 100 MGOe), nhiệt
độ Curie thấp và công nghệ chế tạo chưa ổn định. Điều đó đặt ra là làm cách nào để
nâng cao được tính chất từ và ổn định công nghệ chế tạo vật liệu.
Tính chất từ của VLTC nanocomposite nền Nd-Fe-B được quyết định rất nhiều
hoàn thiện về ảnh hưởng của hợp phần và các điều kiện công nghệ chế tạo lên cấu trúc
và tính chất từ của VLTC nanocomposite Nd-Fe-B. Mặt khác, đề tài có ý nghĩa khoa
học cao trong việc ứng dụng các hiệu ứng vật lý ở kích thước nanomet cho việc tạo ra
các loại vật liệu từ tiên tiến.
Nội dung của luận án bao gồm:
(i) Thêm vào hợp kim Nd-Fe-B một số nguyên tố (Pr, Dy, Nb, Co) để tăng
cường được các tham số từ cứng như lực kháng từ, tích năng lượng cực
đại và nhiệt độ Curie T
C
,
đồng thời làm ổn định công nghệ chế tạo vật
liệu.
17
17
18
(ii) Nghiên cứu ảnh hưởng của tỉ phần các nguyên tố và công nghệ chế tạo lên
cấu trúc và tính chất từ của VLTC nanocomposite Nd-Fe-B.
(iii) Nghiên cứu chế tạo vật liệu nanocomposite Nd-Fe-B bằng cả hai phương
pháp: nguội nhanh và nghiền cơ năng lượng cao.
(iv) Nghiên cứu ảnh hưởng tương hỗ giữa các điều kiện chế tạo để đưa ra công
nghệ chế tạo tối ưu.
(v) Thử nghiệm chế tạo nam châm đàn hồi Nd-Fe-B bằng phương pháp ép
nguội và ép nóng.
Bố cục của luận án:
Nội dung chính của luận án được trình bày trong 4 chương. Chương đầu là
phần tổng quan về VLTC nanocomposite Nd-Fe-B. Chương tiếp theo trình bày các kỹ
thuật thực nghiệm về phương pháp chế tạo mẫu và các phép đo đặc trưng cấu trúc và
tính chất của vật liệu, cách tính đại lượng (BH)
max
ó, tích n ng l ng c c i (BH)đ ă ượ ự đạ
max
( c tr ng cho kh n ng tích tr n ng l ngđặ ư ả ă ữ ă ượ
t ) c coi l m t thông s t quan tr ng nh t ánh giá ch t l ng c a ừ đượ à ộ ố ừ ọ ấ để đ ấ ượ ủ
VLTC. Nam châm v nh c u s d ng VLTC u tiên (thép k thu t) c ch t o ĩ ử ử ụ đầ ỹ ậ đượ ế ạ
v o nh ng n m 1740 có (BH)à ữ ă
max
≈ 1 MGOe. Giá tr tích n ng l ng n y khá th p, ị ă ượ à ấ
do ó ph i dùng m t l ng l n kim lo i m i t o ra c nam châm có l c hút đ ả ộ ượ ớ ạ ớ ạ đượ ự đủ
m nh. i u ó t ra yêu c u c n ph i nghiên c u nâng cao (BH)ạ Đ ề đ đặ ầ ầ ả ứ
max
cho v t li u. ậ ệ
Vì v y m tích n ng l ng (BH)ậ à ă ượ
max
c a v t li u sau ó c t ng lên khá nhanh. ủ ậ ệ đ đượ ă
Trong th k XX c sau 20 n m (BH)ế ỉ ứ ă
max
t ng g p 3 l n (hình 1.1) [27] ă ấ ầ
Hình 1.1. Sự phát triển của nam châm vĩnh cửu trong thế kỷ 20 [27].
có c nh ng ti n b n y, các nh khoa h c v v t li u t m t m t Để đượ ữ ế ộ à à ọ ề ậ ệ ừ ộ ặ
t p trung trong vi c tìm ki m v t li u m i, m t khác ho n thi n công ngh ch ậ ệ ế ậ ệ ớ ặ à ệ ệ ế
t o. Ti n b u tiên trong nâng cao ph m ch t t c ánh d u b ng vi c phát ạ ế ộ đầ ẩ ấ ừ đượ đ ấ ằ ệ
hi n ra h p kim Alnico b i Mishima (Nh t B n) v o n m 1932 [5]. H p kim n y ệ ợ ở ậ ả à ă ợ à
c ch t o b i quá trình h p kim hóa ba nguyên t Ni, Co v Fe có pha m t đượ ế ạ ở ợ ố à ộ
l ng nh Al v Cu, l c kháng t ượ ỏ à ự ừ
H
c
t kho ng 0,63 kOe. V o th p niên 30 c a đạ ả à ậ ủ
th k 20 nam châm lo i n y c s d ng r ng rãi trong môt v loa âm thanh. ế ỷ ạ à đượ ử ụ ộ ơ à
2
O
3
. V t li u n y kh c ph c c nh c i m Hậ ệ à ắ ụ đượ ượ đ ể
c
th p c a các v t li u ấ ủ ậ ệ
tr c ó (Hướ đ
c
~ 3 kOe) nh ng c m ng t d l i không cao (Bư ả ứ ừ ư ạ
r
~ 4,2 kG), do B
r
th p ấ
nên (BH)
max
c ng không l n (~ 5 MGOe). Ng y nay nam châm n y l v t li u ũ ớ à à à ậ ệ
c s d ng nhi u nh t, chi m kho ng 50% t ng giá tr nam châm v nh c u c a đượ ử ụ ề ấ ế ả ổ ị ĩ ử ủ
to n th gi i, do chúng có u i m l giá th nh r t r v b n. à ế ớ ư đ ể à à ấ ẻ à ề
Năm 1966 vật liệu YCo
5
được phát hiện, 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 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
20
20
21
các điều kiện đó [7]. Các hướng nghiên cứu tập trung vào việc tìm ra vật liệu từ có
thông số từ cứng tốt mà thành phần nền là Nd-Fe.
Năm 1983, nhóm Sawaga ở công ty Sumitomo (Nhật bản) bằng phương pháp
luyện kim bột tương tự như phương pháp chế tạo SmCo
5
đã chế tạo thành công nam
châm vĩnh cửu có thành phần Nd
8
Fe
77
B
5
có (BH)
max
∼ 36,2 MGOe [83]. Cũng năm đó,
Croat và cộng sự ở công ty General Motors (Mỹ) bằng phương pháp phun băng nguội
nhanh đã chế tạo được nam châm vĩnh cửu có thành phần Nd
2
Fe
14
B có (BH)
max
~ 14
MGOe [29]. Đến nay bằng phương pháp thiêu kết, một số phòng thí nghiệm trên thế
giới đã chế tạo được vật liệu từ Nd
2
Fe
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 100 MGOe.
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. Hiện nay, nhiều
nhóm nghiên cứu trên thế giới vẫn tiếp tục xây dựng các mô hình lý tưởng cho loại
VLTC có cấu trúc nanomet này. Các nhóm nghiên cứu thực nghiệm thì tiếp tục tìm
kiếm các hợp phần mới và các công nghệ mới để nâng cao phẩm chất và làm giảm giá
thành của vật liệu.
21
21
22
1.2. Cấu trúc và tính chất từ của vật liệu từ cứng Nd
2
Fe
14
(vị trí e và k
1
) tạo thành hình lăng trụ đứng đáy tam giác (b) [13].
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. Các nguyên tử Nd chiếm 2 vị trí (ký hiệu là
Nd f, Nd g) không tương đương, các nguyên tử Fe chiếm 6 vị trí (ký hiệu là Fe c, Fe e,
Fe j
1
, Fe j
2
, Fe k
1
, Fe k
2
), các nguyên tử B chiếm vị trí B g. 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 Fe c. Mỗi
nguyên tử B kết hợp với 6 nguyên tử Fe (ở vị trí Fe e và Fe k
1
) gần nó nhất tạo hình
lăng trụ đáy tam giác hình 1.2b. 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
B cho phép chế tạo nam châm thiêu kết có tích
năng
lượng từ cực đại (BH)
max
lớn. Đây là loại nam châm vĩnh cửu cực mạnh, có khả năng
cho từ dư lên tới 1,4 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 1.1 so
sánh từ tính của nam châm Nd-Fe-B với các loại nam châm thông thường khác.
Bảng 1.1. Tính chất từ của một số loại nam châm [53].
Nam châm M
r
(kG) H
ci
(kOe) BH
max
(MGOe) T
C
(°C)
Nd
2
Fe
14
B (thiêu kết) 10÷14 9,4÷25 25÷57 310
Nd
2
Fe
14
B (kết dính) 6÷7 7,5÷15 7,5÷12,5 310
SmCo
5
Sự xuất hiện từ độ bão hòa 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 bão hòa 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 cùng đóng góp vào [48], [49].
Hirosawa và cộng sự [52] 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, nhiệt độ T
C
chịu ảnh hưởng bởi tương tác
giữa các ion trong vật liệu. 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
(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
, (1.1)
Copyright: Tài liệu đại học ©