MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Vật liệu từ phát cách hàng nghìn năm Ngay từ cuối XI đầu XII, kim nam châm ứng dụng ngành hàng hải Trung Quốc, sau phát triển rộng rãi nước phương Tây Cho đến nay, vật liệu từ phát triển rộng khắp thiếu lĩnh vực đời sống đại như: tivi, máy tính, điện thoại, thiết bị gia đình, công nghiệp… Chúng ta dễ dàng nhận thấy: tượng từ xuất từ giới vi mô (nguyên tử, phân tử) đến giới vĩ mô (các thiên hà) Trái Đất nam châm khổng lồ Hiện nay, nhà khoa học lý giải nhiều tượng từ sở lý thuyết, kết bán thực nghiệm Nhờ đó, với công nghệ, họ chế tạo nhiều loại vật liệu từ có kích thước nhỏ gọn đáp ứng nhu cầu sống Trong loại vật liệu từ, sắt từ sử dụng phổ biến: làm nam châm vĩnh cửu, lõi biến thế, ổ cứng máy tính Một hiệu ứng khác chất sắt từ hiệu ứng từ đẳng nhiệt khổng lồ nghiên cứu, phát triển hệ máy lạnh hoạt động từ trường với ưu điểm vượt trội: không gây ô nhiễm môi trường, tiết kiệm lượng… Các hiệu ứng từ điện trở chất sắt từ khai thác đời linh kiện điện tử hệ cách điều khiển spin Những ứng dụng to lớn lí thú vật liệu từ lí mà em chọn đề tài “Nghiên cứu tính chất ứng dụng vật liệu có tính sắt từ” làm đề tài khoá luận Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu tính chất ứng dụng vật liệu có tính sắt từ Nhiệm vụ nghiên cứu Tính chất từ vật rắn Chỉ ứng dụng vật liệu có tính sắt từ Đối tượng nghiên cứu Vật liệu từ Phương pháp nghiên cứu Đọc, tra cứu tổng hợp tài liệu Cấu trúc khóa luận Gồm chương: Chương 1: Tổng quan tính chất từ vật rắn Chương 2: Tính chất vật liệu sắt từ Chương 3: Các ứng dụng vật liệu sắt từ NỘI DUNG Chƣơng TỔNG QUAN VỀ TÍNH CHẤT TỪ CỦA VẬT RẮN 1.1 Mômen từ nguyên tử Chúng ta biết rằng, tất nguyên tử gồm hạt nhân mang điện dương electron mang điện âm Các electron chuyển động không ngừng quanh hạt nhân Để giải thích nhiều tượng, có tượng từ, coi gần electron chuyển động quanh hạt nhân theo quỹ đạo tròn hay elip tương tự hành tinh hệ thống mặt trời (mẫu hành tinh nguyên tử) Những electron nguyên tử (hay phân tử) quay theo quỹ đạo với tần số lớn (≈ 1015 vòng/giây) tạo dòng điện khép kín Dòng điện sinh từ trường tương tác với từ trường Do đó, tùy thuộc vào từ trường mà mômen từ có định hướng khác Trước hết, ta cần biết mômen từ nguyên tử Để đơn giản, coi quỹ đạo electron nguyên tử đường tròn, bán kính r, có tâm nằm hạt nhân nguyên tử (hình 1.1) Hình 1.1 Mô tả quỹ đạo electron chuyển động nguyên tử  Gọi v vận tốc electron,  tần số quay electron quỹ đạo:   v 2 r Dòng điện chuyển động quỹ đạo electron gây có chiều ngược với chiều quay electron, có độ lớn: I  e  e v 2 r  Khi mômen từ quỹ đạo P m đặc trưng cho tác dụng từ dòng điện có dạng:   ev   P m  IS n   r n  evrn, 2 r S   r : diện tích hình tròn giới hạn quỹ đạo electron chuyển động xung quanh hạt nhân  n : vector đơn vị hướng theo phương pháp tuyến dương mặt S (có chiều cho chiều dòng điện chiều quay thuận xung quanh nó) Mặt khác, electron có khối lượng quay quanh hạt nhân nên có     mômen động lượng L : L   r  mv  : gọi mômen động lượng quỹ đạo  Theo công thức, ta thấy L vuông góc với mặt phẳng quỹ đạo electron, có chiều cho chiều quay electron chiều quay thuận xung quanh       Như L ngược chiều với n  L  Pm , đó: L  mvrn độ lớn L = mvr Gọi  tỉ số Pm L; ta được:   Pm evr e   , L mvr 2m  : hệ số từ electron e : điện tích riêng electron m Trong học lượng tử chứng minh electron nguyên tử chuyển động theo quỹ đạo dừng định với mômen động lượng: Ln  n h , n  Z , h: số Plăng (J.s) 2 Do ta viết: Pm  e h eh n n 2m 2 4m 1, 6.1019 0, 662.10 34 n 4,91.1031   n.0,927 23  Pm  nB , B  eh : manheton Bohr (J/T) 4m Manheton Bohr mômen từ nguyên tố ứng với chuyển động electron theo quỹ đạo gần hạt nhân nguyên tử đơn giản hydro Thực nghiệm lý thuyết chứng tỏ rằng, mômen từ quỹ đạo   mômen động lượng quỹ đạo, electron có mômen từ riêng P ms L s mômen động lượng riêng (còn gọi spin electron) Trong học lượng tử chứng minh rằng: s  Pms e    2 Ls m Chính mà chuyển động quay, electron tham gia chuyển động tự quay quanh trục giống tự quay Trái đất (hình 1.2) Hình 1.2 Mô tả chuyển động tự quay electron nguyên tử Các ngiên cứu hạt proton notron có mômen từ Tuy nhiên mômen từ chúng nhỏ so với mômen từ electron Nói cách khác, mômen từ hạt nhân có đóng góp không đáng kể vào mômen từ nguyên tử, mà chủ yếu đóng góp mômen từ electron Do đó, mômen từ nguyên tử (hay phân tử) gồm nhiều electron   tổng vector tất mômen từ quỹ đạo P m mômen từ riêng P ms tất electron đó: z    P m   ( P mi  P msi ), i 1  P m : mômen từ nguyên tử z : số thứ tự nguyên tử bảng hệ thống tuần hoàn Như vậy, mômen từ nguyên tử nói lên chất từ học, coi đặc trưng cho tác dụng dòng điện khép kín nguyên tử (hay phân tử) Với nguyên tố khác giá trị mômen từ nguyên tử chúng khác Độ lớn mômen từ nguyên tử định số lượng spin “down” spin “up” lớp chuyển tiếp – lớp điện tử không điền đầy cấu hình điện tử nguyên tố 1.1.1 Mômen từ nguyên tử chưa có từ trường 1.1.1.1 Đối với chất thuận từ, nghịch từ Khi chưa có từ trường ngoài, chuyển động nhiệt nên mômen từ nguyên tử xếp hoàn toàn hỗn loạn, phương ưu tiên Vì vậy, mômen từ tổng hợp toàn vật không vật từ tính 1.1.1.2 Đối với chất sắt từ Khi từ trường, mômen từ vật khác không mômen từ tự phát Tổng mômen từ vật liệu bị từ hóa đơn vị thể tích gọi độ nhiễm từ hay độ từ hóa hay từ độ M vật liệu Gọi   M độ từ cảm hay hệ số từ hóa vật liệu H 1.1.2 Mômen từ nguyên tử có từ trường 1.1.2.1 Đối với chất thuận từ Khi có từ trường mômen từ nguyên tử có xu hướng xếp theo hướng từ trường hướng ưu tiên Do đó, toàn vật thuận từ có mômen từ khác không tổng hợp vector có chiều chiều từ trường Đó hiệu ứng thuận từ Mặt khác, vật có số mômen từ cảm ứng ngược chiều từ trường Tuy nhiên, mômen từ vật liệu mômen từ nguyên tử xếp theo chiều từ trường lớn mômen từ cảm ứng  ngược chiều từ trường Tổng hợp hai hiệu ứng cho từ trường phụ B nằm vật thuận từ chiều từ trường  B 1.2.2.2 Đối với chất nghịch từ Trong trường hợp này, chuyển động theo quỹ đạo electron quanh hạt nhân giống chuyển động  B quay Do đó, tác dụng   Pm ngoại lực phát sinh hiệu ứng quay, nghĩa phát sinh chuyển động  M tiến động quỹ đạo electron  v Giả sử mặt phẳng quỹ đạo electron nằm nghiêng so với từ trường   I e  Khi đó, trục chứa L B  nghiêng góc   so với B Dưới tác dụng từ trường ngoài, electron chịu tác dụng mômen lực:  L Hình 1.3 Chuyển động tiến động quỹ đạo electron    M   P m  B  Mômen lực vuông góc với mặt phẳng chứa trục quay  electron phương từ trường B Vì electron nguyên tử coi quay, nên mômen gây nên hiệu ứng quay Dưới tác dụng mômen lực này, mặt phẳng quỹ đạo electron bắt đầu   chao chao lại; vector P m , L đảo xung quanh phương từ trường (   ) vạch thành hai mặt nón tròn xoay (Các mặt nón tròn xoay   có đỉnh nằm gốc vector P m , L hai mặt đáy vuông góc với phương    B ; chu vi đáy tạo quỹ đạo vector P m , L ) Chuyển động tiến động quỹ đạo electron gây chyển động phụ  electron xung quanh hướng từ trường với vận tốc góc L (hay tần   số Lacmo) Vì L song song chiều với B electron mang điện âm nên chuyển động phụ tạo mômen phụ luôn ngược  chiều với B Chuyển động phụ tương đương với dòng điện khép kín chảy theo chiều ngược lại có cường độ: I  e L 2 Dòng điện phụ có mômen từ phụ: Pm  I S   e L  r 2 , 2    P m : mômen từ cảm ứng, Pm  B Vậy, tác dụng từ trường ngoài, tất electron  nguyên tử tham gia chuyển động với tần số Lacmo L cho quỹ đạo khác electron Chuyển động phụ gây tiến động, sinh mômen từ cảm ứng electron – có chiều ngược chiều từ trường Ta thấy, nguyên tử đặt vào từ trường ngoài, toàn có mômen  z  từ phụ (cảm ứng):  P m   P mi Chiều mômen từ cảm ứng nguyên i 1 tử ngược chiều với từ trường Đây gọi hiệu ứng nghịch từ 1.2 Các trạng thái từ vật chất 1.2.1 Trạng thái nghịch từ Vật liệu từ trạng thái nghịch từ vật liệu từ có    , độ lớn nhỏ (cỡ 105 ), T phụ thuộc vào nhiệt độ O t Giải thích cách gần đúng, coi chất nghịch từ có nguyên tử Hình Hình1.4a 5a Hình Hình 1.4b 5b mà mặt phẳng quỹ a Mô hình xếp mômen từ nguyên tử đạo electron song b Sự phụ thuộc  1 vào nhiệt độ song với quỹ đạo chúng giống Trên quỹ đạo ấy, electron chuyển động vận tốc ngược chiều làm mômen từ quỹ đạo chúng trực đối Do tổng mômen từ quỹ đạo không Lý thuyết chứng minh mômen từ riêng (mômen spin) electron ngược chiều nhau, nên tổng mômen từ riêng không Do mômen từ nguyên tử electron (gồm mômen từ quỹ đạo mômen từ spin) không Khi đặt vào từ trường ngoài, electron có mômen từ cảm ứng chiều ngược chiều với từ trường Kết mômen từ nguyên tử khác không làm toàn chất nghịch từ có mômen từ khác không ngược chiều từ trường Hiện tượng nghịch từ xuất tất vật thường bị che lấp hiệu ứng khác chiếm ưu (như tượng thuận từ, sắt từ…) Hiện tượng nghịch từ thể rõ chất mà mômen từ tổng cộng chúng không Ví dụ: khí trơ, hợp chất hữu cơ, số kim loại: Cu, Zn, Au, Ag… Cu  0,9.105 ;  Pb  1, 7.105 ;  H 2O   0,88.105 Vật liệu nghịch từ lý tưởng vật liệu siêu dẫn (vật mà nhiệt độ Tc , điện trở vật không) có      , lớn gấp nhiều lần 4 so với chất nghịch từ khác 1.2.2 Trạng thái thuận từ Là vật từ có   , giá trị nhỏ (cỡ 105 103 )  phụ thuộc vào nhiệt độ, phụ thuộc tuân theo định luật Curie:   C T C: số Curie T: nhiệt độ tuyệt đối  Khi chưa có từ trường ngoài, chuyển động nhiệt, mômen từ nguyên tử xếp hỗn loạn, phương ưu tiên Vì vậy, mômen từ Hình 6a Hình 6b T tổng hợp toàn vật thuận từ Hình 1.5a không vật từ tính a Sự xếp mômen từ Khi có từ trường ngoài, Hình 1.5b nguyên tử mômen từ nguyên tử có xu hướng b Sự phụ thuộc  1 vào xếp theo hướng từ trường nhiệt độ chiều ưu tiên Do toàn vật 10 2 l x l y L  JK  1/2  lxl y  K    d2  a   J   d  2( L )1/2    aK   Khi nhiệt độ tăng, mật độ lượng dị hướng từ trung bình (  K ) giảm, bề rộng (d) đômen bề dày lớp chuyển tiếp tăng Sự tăng bề dày lớp chuyển tiếp nhanh tăng bề rộng đômen Vì nhiệt độ tăng, lớp chuyển tiếp mở rộng dần vào đômen, làm giảm dần thể tích đômen độ từ hóa tự phát vật sắt từ giảm dần không nhiệt độ nhiệt độ Curie 2.4.2 Quá trình từ hóa chất sắt từ Khi từ trường ngoài, mômen từ đômen định hướng cho mômen từ tổng cộng tất đômen không, toàn vật sắt từ từ tính Khi có từ trường ngoài, độ từ hóa vật sắt từ    M  Nếu tăng cảm ứng từ trường B độ từ hóa M vật sắt từ tăng; từ trường tiếp tục tăng đến giá trị độ từ hóa sắt từ đạt đến giá trị không đổi sau dù tăng từ trường thêm độ từ hóa giữ nguyên giá trị Đó trình từ hóa sắt từ Tùy theo đặc trưng tượng vật lý xuất vật sắt từ, ta chia trình từ hóa thành giai đoạn: 2.4.2.1 Quá trình dịch vách đômen Quá trình gồm hai giai đoạn nhỏ: trình thuận nghịch trình không thuận nghịch a) Quá trình dịch chuyển thuận nghịch vách đômen  Năng lượng tương tác mômen từ nguyên tử M i với cảm ứng từ         M i, B  M B   M B cos  i trường B là: ; i  35        M i B  , lượng vật từ giảm  hay   B  M i      B  M i hay      M i B  , lượng vật từ tăng  Dưới tác dụng từ trường ngoài, mômen từ chiều B ( hay     lớp chuyển tiếp) quay hướng từ trường Kết dẫn đến dịch chuyển lớp chuyển tiếp phía đômen có mômen từ  ngược chiều B (hay       ) Như thể tích đômen có mômen từ chiều B (hay     ) mở rộng lớn dần; thể tích  đômen có mômen từ ngược chiều B (hay      ) bị thu hẹp lại bé dần (hình 2.10)  B Hình 2.10 Sự thay đổi thể tích đômen theo từ trường Độ từ hóa vật sắt từ tổng vector mômen từ tất đômen khác không Chính mà vật sắt từ có từ tính b) Quá trình dịch chuyển không thuận nghịch vách đômen Nếu tiếp tục tăng từ trường đến mức thể tích  đômen có mômen từ ngược chiều B (hay      ) không Khi đó,  vật sắt từ đômen có mômen từ chiều B (hay    36  ) 2.4.2.2 Quá trình quay Nếu tiếp tục tăng từ trường có quay mômen từ spin đômen tích tăng, mômen từ spin xếp chiều với từ trường Khi mômen từ tất đômen xếp chiều với từ trường toàn vật sắt từ coi đômen vật trạng thái có từ tính lớn Trạng thái gọi trạng thái bão hòa từ Quá trình từ hóa biểu diễn hình 2.11  B Hình 2.11 Mô tả trình từ hóa Quá trình từ hóa chất sắt từ tóm lược cách ngắn gọn thông qua đường cong từ hóa đường cong từ trễ thể hình 2.12 Dựa vào hình dạng đường cong từ trễ vật liệu sắt từ ta phân loại loại vật liệu sắt từ Lúc đầu, vật sắt từ từ hóa theo đường cong Từ trường H tăng, cảm ứng từ vật liệu B tăng Đến giá trị H B không tăng nữa, đạt trạng thái bão hòa Bs cho dù H có tăng Khi giảm giá trị H B giảm lại không theo đường ban đầu Đến giá trị H = B = Br khác không Br gọi cảm ứng từ dư Khi tăng H theo chiều ngược lại đến giá trị Hc cảm ứng từ B bị triệt tiêu Hc gọi lực 37 kháng từ Ta tiếp tục tăng H vật liệu lại từ hóa đến bão hòa theo chiều ngược lại Giảm từ trường sau lại tăng theo chiều ngược lại, ta vẽ đường cong từ trễ Diện tích đường cong từ trễ thể lượng tổn hao từ hóa vật liệu Nếu diện tích đường cong lớn lượng tổn hào nhiều Vật liệu từ cứng Ngược lại vật liệu từ mềm Ta xét cụ thể sau Hình 2.12 Đường cong từ hóa từ trễ vật liệu sắt từ số thông số 2.5 Phân loại vật liệu sắt từ Có nhiều cách khác để phân chia vật liệu sắt từ Cách thông dụng phân chia theo khả từ hóa khử từ vật liệu Theo cách phân chia vật liệu sắt từ gồm ba nhóm là: vật liệu từ cứng, vật liệu từ mềm vật liệu ghi từ 2.5.1 Vật liệu từ cứng 38 Vật liệu từ cứng (nam châm vĩnh cửu) loại vật liệu từ có lực kháng từ cao (trên 150 Oe), chu trình từ trễ rộng, cảm ứng từ dư tương đối cao bền vững 2.5.2 Vật liệu từ mềm Vật liệu từ mềm vật liệu từ có lực kháng từ Hc nhỏ 150 Oe, chu trình trễ hẹp, cảm ứng từ bão hoà cao Nhiệt độ Curie cao Chu trình đường cong từ trễ vật liệu từ cứng từ mềm so sánh hình 2.13 Hình 2.13 So sánh đường cong từ trễ vật liệu từ cứng từ mềm 2.5.3 Vật liệu ghi từ Các tính chất từ vật liệu nằm khoảng trung gian vật liệu từ cứng từ mềm Điều đảm bảo cho việc lưu giữ tín hiệu (Hc lớn để lưu giữ thông tin) đồng thời phải vật liệu dễ dàng ghi tín hiệu cần ghi (Hc nhỏ, vật liệu dùng làm đầu ghi từ) 39 CHƢƠNG CÁC ỨNG DỤNG CỦA VẬT LIỆU SẮT TỪ Về mặt ứng dụng, công nghiệp đời sống ngày lĩnh vực điện - điện tử vật liệu sắt từ chủ yếu vật liệu từ cứng, từ mềm vật liệu ghi từ…Trong khuôn khổ luận văn, trình bày ứng dụng hai loại vật liệu từ cứng vật liệu từ mềm 3.1 Đối với vật liệu từ cứng: Ứng dụng chế tạo nam châm vĩnh cửu 3.1.1 Công nghệ chế tạo 3.1.1.1 Công nghệ luyện kim kinh điển: đúc (trên nhiệt độ nóng chảy) biến dạng dẻo Công nghệ dùng để chế tạo hợp kim từ cứng loại AlNiCo, TiCoNiAl, Cunife a) Quy trình: Các kim loại thành phần trộn đưa vào nồi nấu (thường sử dụng lò cao tần) Hợp kim nấu xong tồn dạng dung dịch đổ vào khuôn (khuôn thường làm cát trộn với chất kết dính nước sử dụng khuôn hợp kim có nhiệt độ nóng chảy cao b) Ưu điểm: Nam châm tạo có độ bền học độ “sạch” cao c) Nhược điểm: Với loại khuôn đúc làm cát sử dụng lần Sản phẩm sau đúc xong có lượng từ trường thấp d) Cách khắc phục: Để cải thiện tính từ cứng vật liệu cần thực quy trình sau:  Xử lý nhiệt: thực bước: 40 Bước 1: Sản phẩm sau dúc đưa vào lò ủ, nung nóng tới 10000C giữ nguyên vòng vài Bước 2: Làm nguội từ nhiệt độ xuống khoảng 600 0C lại tăng lên 7000C Bước 3: Giữ nguyên nhiệt độ nung 7000C Bước 4: Tắt lò để nhiệt độ lò hạ dần xuống nhiệt độ phòng  Cải thiện tính từ cứng nam châm vĩnh cửu: Có cách: Cách 1: Xử lý nhiệt từ trường: Phương pháp áp dụng hiệu vật liệu từ cứng có nhiệt độ Curie cao Là phương pháp mà bước xử lý nhiệt vật liệu từ cứng định hướng theo hướng xác định nhằm làm giảm lượng tĩnh từ vật Cách 2: Kết tinh định hướng: Phương pháp sử dụng hợp kim mà có định hướng ưu tiên Phương pháp thực sau hợp kim nóng chảy đổ vào khuôn tiến hành làm nguội theo hướng xác định: làm nguội từ đáy lên Kết phương pháp tạo nam châm có cảm ứng từ dư (Br) cao, lực kháng từ (Hc) lớn Cách 3: Kết tinh định hướng làm nguội từ trường: Phương pháp kết hợp hai cách nêu trên: đúc theo phương pháp kết tinh định hướng; nung nhiệt độ cao làm nguội từ trường (chiều từ trường đặt theo hướng song song với trục kết tinh định hướng) Kết tạo nam châm vĩnh cửu có tích lượng từ cực đại lớn 3.1.1.2 Công nghệ luyện kim bột (phương pháp gốm): ép thiêu kết kết dính a) Quy trình: Hỗn hợp kim loại ban đầu nghiền dạng bột, đưa vào khuôn ép, ép áp suất cao (cỡ  10 tấn/cm2) Sau đó, đem nung 41 thiêu kết nhiệt độ mà độ lớn thấp nhiệt độ nóng chảy kim loại thành phần b) Ưu điểm: Sản phẩm tạo có độ bền học cao so với sản phẩm chế tạo phương pháp đúc c) Nhược điểm: Nam châm tạo có tích lượng từ cực đại (BH)max thấp so với nam châm chế tạo phương pháp đúc Thời gian thực trình thiêu kết lâu e) Khắc phục: Cần tránh ôxy nước tham gia vào trình thiêu kết (khí hydro sử dụng với áp suất đầu vào lớn áp suất khí chút, phần cuối ống để hở) Quá trình thiêu kết phải thực cách liên tục 3.1.2 Các loại vật liệu từ cứng 3.1.2.1 Các hợp kim FePt CoPt Hệ hợp kim FePt, CoPt phát vào cuối năm 1930 đặc biệt ý đặc tính độc đáo mặt khả ứng dụng đặc biệt y học thiết bị dùng ngành vũ trụ thám hiểm không gian Hợp kim Fe-Pt Co-Pt đặc biệt quan tâm năm gần đặc tính dị hướng từ cao chúng Những đặc tính ưu việt loại vật liệu chế tạo nam châm vĩnh cửu dạng khối trực tiếp từ vật liệu đúc mà sử dụng phương pháp bột thiêu kết Các nam châm FePt CoPt có độ bền học cao, khả chống ôxy hóa tốt Tuy nhiên, giá thành Pt cao nên chúng thường sử dụng với khối lượng nhỏ chủ yếu ứng dụng y học nha khoa, nhãn khoa… Ngoài ra, màng mỏng FePt CoPt đẩy mạnh nghiên cứu dùng hệ vi điện tử (NEMs) 42 3.1.2.2 Hệ nam châm AlNiCo Là loại nam châm dựa sở hệ hợp kim Al-Ni-Co Trước chúng có tên gọi hợp kim AlNi hay hợp kim Mishima với thành phần % trọng lượng cụ thể: 58% Fe, 30% Ni, 12% Al Loại nam châm chế tạo cách: đúc ép thiêu kết Các loại nam châm có tích lượng từ cực đại, cảm ứng từ dư (Br) lớn lực kháng từ (Hc) nhỏ (cỡ kOe) nên dễ bị khử từ Ngoài hầu hết loại nam châm cứng, giòn khó gia công học Thông thường phương pháp gia công học mài mòn cắt gọt tia lửa điện Do có tính chất từ tương đối ổn định theo thời gian nên chúng chiếm tỉ phần không nhỏ thị phần nam châm giới với ứng dụng rộng rãi: sử dụng loa, micro, đồng hồ đo, khớp từ, đồng hồ điện tử quay tên lửa kỹ thuật quân 3.1.2.3 Ferit bari stronsi Công nghệ chế tạo nam châm sử dụng phương pháp gốm Các bột oxyt bari, oxyt strônsi oxit sắt trộn theo thành phần BaO.6Fe2O3 SrO.6Fe2O3, phối liệu đóng bánh đưa vào lò nung lên nhiệt độ ferit hóa Thành phẩm đưa vào máy nghiền tạo độ hạt, ép thành viên nam châm theo yêu cầu, sau mẫu nung thiêu kết nhiệt độ cao Sản phẩm sau nạp từ nam châm ferit Tồn hai loại nam châm đẳng hướng dị hướng, chúng khác ép bình thường hay từ trường, chất lượng sản phẩm có chênh lệch rõ rệt: Nam châm ferit bari đẳng hướng có lượng từ cực đại cỡ MGOe nam châm dị hướng đạt tới số 4,2 MGOe 43 Nam châm sử dụng làm kim la bàn, nam châm chuyên dụng số thiết bị kỹ thuật… Các nguyên liệu ban đầu để chế tạo nam châm ferit (như Fe2O) có nhiều dễ kiếm Đặc biệt quy trình công nghệ sản suất lại đơn gỉản, dễ thực nên loại nam châm lại có giá thành rẻ Tại trường ĐH Bách Khoa Hà Nội (Viện đào tạo Quốc Tế Khoa học Vật liệu – ITIMS) phương pháp sol-gel tạo hạt ferit stronsi pha La với giá trị BH c  7kOe 3.1.2.4 Nam châm đất dựa sở coban Loại nam châm nghiên cứu mạnh năm 80 kỉ XX Công thức tổng quát loại nam châm là: RCO5: R: nguyên tố đất hiếm: La, Ce, Sm, Pr… Chúng chế tạo phương pháp: bột thiêu kết, bột kết dính phương pháp đúc Các loại nam châm có tích lượng từ cực đại (BH)max lớn, cảm ứng từ dư Br cao, chúng làm việc môi trường có nhiệt độ cao (cỡ 30000C) Gần đây, loạt nghiên cứu tập trung vào hợp kim đất – coban sở pha RCO7 hình thành nhiệt độ cao nam châm loại RCO6-8 cho phép tạo nam châm hoạt động nhiệt độ lên tới 5000C, chủ yếu dùng ngành hàng không du hành vũ trụ Một hướng phát triển tập trung nghiên cứu màng mỏng từ cứng sở SmCO5 cho phép dùng chúng hệ thống vi điện tử (NEMs) công nghệ ghi từ mật độ cao Tuy nhiên nam châm có giá thành đắt hai thành phần loại nam châm Co Sm khan đắt tiền Mặt khác nam châm dễ bị ôxy hóa không khí nên chúng không sử dụng rộng rãi thị trường Nam châm NdFeB: phát từ năm 1988, nam châm nhanh chóng trở thành nam châm mạnh với tích lượng khổng lồ (40 44 - 50 MGOe) vượt xa nam châm kinh điển khác ferit - bari, hợp kim AlNiCo, TiCoNiAl… Nam châm NdFeB có hai loại chính: nam châm thiêu kết nam châm kết dính 3.2 Đối với vật liệu từ mềm 3.2.1 Công nghệ chế tạo Các công nghệ để chế tạo vật liệu từ mềm gồm có: Công nghệ luyện kim kinh điển: đúc (trên nhiệt độ nóng chảy), cán Công nghệ dùng để chế tạo thép kĩ thuật điện, permalloy dạng mỏng Công nghệ gốm (luyện kim bột): công nghệ dùng để chế tạo ferit từ mềm Vật liệu ban đầu oxit kim loại (Fe2O3 + MeO, Me Ni, Mn, Zn…) nghiền mịn ferit hoá sơ nhiệt độ nhiệt độ nóng chảy, bột ferit hoá ép tạo hình sản phẩm tăng mật độ Sau sản phẩm thiêu kết nhiệt độ nóng chảy trình ferit hoá kết thúc tạo độ bền học cần thiết thông qua phản ứng pha rắn Công nghệ nguội nhanh: công nghệ dùng để chế tạo băng mỏng vô định hình Vật liệu ban đầu nung nóng chảy sau làm nguội nhanh với tốc độ nguội triệu độ giây 3.2.2 Các loại vật liệu từ mềm Thép kĩ thuật điện: dung dịch rắn gồm: 0,5  5% Si Fe Silic đóng vai trò làm tăng điện trở suất  đồng thời cải thiện đặc trưng từ Các tính chất từ tốt nồng độ Si cỡ  8%, nhiên với nồng độ đó, tính chất học vật liệu (giòn, cứng, khó gia công) Thép kĩ thuật điện sản xuất phương pháp cán (nóng nguội) thành mỏng 0,1  0,5 mm, tần số sử dụng: 50  400 Hz Permalloy: hợp kim sắt niken Tính chất từ permalloy phụ thuộc vào thành phần Ni Công nghệ sản xuất permalloy phức tạp, bao 45 gồm cán nóng, cán nguội ủ đặc biệt nhiều giai đoạn chân không nhiệt độ cao (1200oC) Độ dày permalloy thường 0,1  0,5 mm Ferit từ mềm: vật liệu từ oxit có điện trở suất lớn sử dụng tần số cao: hàng trăm kHz tới nhiều MHz Công thức tổng quát ferit từ mềm là: Fe3+[Me2+Fe2+]O4, Me là: Fe, Ni, Co, Mn, Zr, Cu, Cd, Mg Vật liệu từ mềm vô định hình nano tinh thể: loại vật liệu từ đại có tính từ mềm cao sản xuất theo công nghệ nguội nhanh Loại vật liệu vừa có lực kháng từ thấp, vừa có cảm ứng từ bão hoà cao 3.2.3 Ứng dụng vật liệu từ mềm Vật liệu từ mềm băng từ mềm sử dụng đa dạng với số lượng lớn nhiều lĩnh vực khác Một số ứng dụng cụ thể vật liệu từ mềm làm vật liệu dẫn từ, lõi biến áp, máy điện, rơle, nam châm điện, sensor từ, cuộn cảm, cuộn chặn hay chắn từ v.v… Tại PTN Vật liệu từ vô định hình nano tinh thể (Viện Vật lý kĩ thuật, ĐHBKHN) ứng dụng vật liệu từ mềm vô định hình để chế tạo máy ôzôn gia dụng, công nghiệp máy hàn xách tay, cảm biến GMR (hình 3.1) Ví dụ vật liệu từ mềm vô định hình để chế tạo máy biến áp tần số cao góp phần làm giảm trọng lượng máy hàn cá nhân từ 50 kg xuống kg, máy sục khí ôzôn Đặc biệt với công nghệ này, nước ta chế tạo thay số thiết bị khí tài quân nước không cần nhập 46 b a d c Hình 3.1 Một số ứng dụng băng từ mềm a - hình ảnh băng từ; b - thiết bị máy biến áp cuộn cảm; c sensor đo từ trường dựa hiệu ứng GMR băng từ; d - sensơ đo ứng suất 47 KẾT LUẬN Khi tiếp cận với đề tài này, em thấy có nhìn tổng quan tính chất từ vật rắn, từ phân loại trạng thái sắt từ điển hình Thông qua lý thuyết Weiss, đề tài làm sáng tỏ tượng trật tự từ tự phát chất sắt từ, giải thích tượng bão hòa từ tồn nhiệt độ Curie (Tc) – nhiệt độ chuyển pha vật liệu sắt từ: T < Tc: vật thể tính sắt từ; T > Tc: vật thể tính thuận từ Giải thích trình từ hóa tồn đường cong từ trễ chất sắt từ Đề tài đưa số ứng dụng hai loại vật liệu từ tiêu biểu: vật liệu từ cứng vật liệu từ mềm – điều lần khẳng định vai trò to lớn vật liệu từ lĩnh vực đời sống người Ngoài kết thu nêu trên, thông qua đề tài giúp em rèn luyện cách tự đọc, tra cứu tài liệu để làm rõ vấn đề liên quan Mặc dù cố gắng phạm vi tương đối rộng đề tài thời gian có hạn nên đề tài tránh khỏi thiếu sót hạn chế Em mong nhận ý kiến đóng góp từ phía thầy cô bạn sinh viên 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Thân Đức Hiền, Lưu Tuấn Tài (2007), “Từ học siêu dẫn”, NXB Bách Khoa, Hà Nội [2] Nguyễn Thế Khôi, Nguyễn Hữu Mình (1992), “Vật lý chất rắn”, NXB Giáo dục [3] Vũ Thanh Khiết (1997), “Giáo trình điện đại cương, tập 3”, NXB Giáo dục, Hà Nội [4] Nguyễn Ngọc Long (2007), “Vật lý chất rắn”, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội [5] Nguyễn Hoàng Nghị (2011), “Từ học – Vật liệu từ vật liệu từ đại”, NXB Hà Nội [6] Lưu Tuấn Tài (2007), “Giáo trình vật liệu từ”, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội [7] Nguyễn Phú Thùy (2002), “Vật lý tượng từ”, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội 49 [...]... đó không những các tính chất đặc trưng của chất sắt từ bị mất đi, mà một số tính chất vật lý (ví dụ nhiệt dung, độ dẫn điện) cũng thay đổi Độ từ hóa của chất sắt từ tuân theo định luật Curie-Weiss:  C T  Tc Các tính chất của sắt từ lại xuất hiện nếu làm lạnh sắt từ xuống dưới Tc Các chất sắt từ khác nhau có nhiệt độ Curie khác nhau 2.1.5 Một vài đặc tính khác của vật liệu sắt từ 2.1.5.1 Từ độ bão... tại độ từ hóa M 0 , ( M 0  0 ), ngay cả khi không tác dụng từ trường ngoài Độ từ hóa này gọi là độ từ hóa tự phát Cũng giống như chất thuận từ, chất sắt từ có độ cảm từ  m  0 , nhưng chất sắt từ có những tính chất từ rất mạnh Độ từ thẩm của chúng rất lớn (có thể lên tới hàng vạn, hàng triệu) Để đặc trưng cho vật liệu sắt từ, ta thường dùng từ độ (I), cảm ứng từ   B  , độ cảm từ (  ) và độ từ thẩm... 9b HìnhHình 1.8b có trật tự từ tự phát dưới a Sự sắp xếp các mômen từ nguyên tử nhiệt độ Tc Khi T > Tc , trật b Sự phụ thuộc của  1 và I s vào nhiệt tự từ bị phá vỡ và vật liệu trở độ thành vật thuận từ, Tc gọi là nhiệt độ chuyển pha Một số vật liệu ferit từ: CuO, ZnO, Fe2O3 … 13 Chƣơng 2 TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU SẮT TỪ 2.1 Đặc điểm của vật liệu sắt từ Chất sắt từ là những chất ở những nhiệt độ thấp... vật sắt từ không có từ tính Khi có từ trường ngoài, độ từ hóa của vật sắt từ    M  0 Nếu tăng cảm ứng từ trường ngoài B thì độ từ hóa M của vật sắt từ tăng; khi từ trường ngoài tiếp tục tăng đến một giá trị nào đó thì độ từ hóa của sắt từ đạt đến một giá trị không đổi và sau đó dù tăng từ trường ngoài thêm nữa thì độ từ hóa vẫn giữ nguyên giá trị đó Đó là quá trình từ hóa của sắt từ Tùy theo... Trạng thái sắt từ Là vật liệu có   0, có giá trị lớn (cỡ hàng vạn, có một vài chất sắt từ chế tạo đặc biệt có thể lên tới hàng triệu) Ở tại một nhiệt độ thấp hơn một nhiệt độ xác định nào đó, trong vật sắt từ tồn tại độ từ hóa tự phát Is Tức là chất sắt từ tồn tại I 1  mômen từ tự phát ngay cả khi không có từ trường ngoài Khi tăng nhiệt độ (giả sử đốt nóng O chất sắt từ) , tính chất từ của chúng giảm... trật tự từ tự phát  M S  0 ngay cả khi không có từ trường ngoài Trật tự từ tự phát tồn tại trong các miền (đômen) với các đômen từ định hướng khác nhau ở các đômen khác nhau Các số liệu thực nghiệm chỉ ra rằng chỉ nên dùng chất sắt từ khi cần có từ trường ngoài không quá vài Tesla (T) 2.1.3 Từ dư Các chất sắt từ đều có tính từ dư, nghĩa là khi ngắt từ trường ngoài, các chất sắt từ vẫn mang từ tính. .. độ cảm từ theo độ từ hóa của vật liệu sắt từ Sự phụ thuộc được biểu diễn trên đường Xtêlêtôp (hình 2.2) Ở vùng từ trường thấp,  tăng nhanh và đạt gái trị cực đại  max Tiếp tục tăng H,  giảm ứng với giá trị bão hòa   max max từ Sự biến đổi của  phản ánh sự phụ thuộc phi tuyến của từ độ I vào H O Sở dĩ chất sắt từ dễ dàng từ hóa là trong chất sắt từ ở dưới H Hình 2.2 Sự phụ thuộc của  vào H nhiệt... Gọi 1 ,  2 ,  3 là các cosin chỉ phương của vector độ từ hóa M của vật sắt từ đối với các trục x, y, z vuông góc từng đôi một của tinh thể Khi đổi 31 chiều vector độ từ hóa thì 1  1 ,  2   2 ,  3   3 và năng lượng của vật sắt từ vẫn không thay đổi Vì vậy năng lượng dị hướng từ của vật sắt từ tính trong một đơn vị thể tích phụ thuộc vào các i2 và có dạng: W2  K 0  K1 (12 22   22... hòa Là từ độ đạt được trong trạng thái bão hòa từ Khi đạt được từ độ bão hòa thì các mômen từ song song với nhau 2.1.5.2 Lực kháng từ 16 Từ trường ngoài cần thiết để khử mômen từ của mẫu sắt từ hay là giá trị để từ đổi chiều Đôi khi lực kháng từ còn gọi là trường đảo từ 2.1.5.3 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... Tuy nhiên với những vật có kích thước đủ lớn, thì khi không có từ trường ngoài tác dụng, vật vẫn có thể ở trạng thái không từ hóa, tức là mômen từ của vật bằng không Điều này được Weiss giải thích rằng vật sắt từ thường được cấu tạo từ nhiều miền nhỏ, được từ hóa đến bão hòa, gọi là các đômen sắt từ Trong mỗi  đômen, vector từ hóa M có một hướng xác định Trạng thái của vật sẽ ứng với một cấu hình đômen ... đích nghiên cứu Nghiên cứu tính chất ứng dụng vật liệu có tính sắt từ Nhiệm vụ nghiên cứu Tính chất từ vật rắn Chỉ ứng dụng vật liệu có tính sắt từ Đối tượng nghiên cứu Vật liệu từ Phương pháp nghiên. .. phân chia vật liệu sắt từ gồm ba nhóm là: vật liệu từ cứng, vật liệu từ mềm vật liệu ghi từ 2.5.1 Vật liệu từ cứng 38 Vật liệu từ cứng (nam châm vĩnh cửu) loại vật liệu từ có lực kháng từ cao (trên... cong từ trễ vật liệu từ cứng từ mềm so sánh hình 2.13 Hình 2.13 So sánh đường cong từ trễ vật liệu từ cứng từ mềm 2.5.3 Vật liệu ghi từ Các tính chất từ vật liệu nằm khoảng trung gian vật liệu từ