Vật liệu từ ứng dụng MỞ ĐẦU Lịch sử từ học người Trung Hoa cổ đại phát đá từ thạch có khả định hướng Nam - Bắc, có khả hút vật sắt Nghiên cứu từ học mở vào kỷ 18 Girlbert viết sách Điện Từ, sau thí nghiệm tương tác từ trường dòng điện Oersted, công trình Ampere Faraday Các nghiên cứu từ học vật liệu từ phát triển vũ bão kỷ 20, vật liệu từ thực đưa vào ứng dụng rộng rãi sống sản xuất Về mặt ứng dụng, công nghiệp đời sống ngày, người ta chia vật liệu từ thành ba loại Đó vật liệu từ cứng, vật liệu từ mềm vật liệu ghi từ Trong khuôn khổ tiểu luận này, em xin trình bày số vấn đề ba loại vật liệu từ phân loại số ứng dụng chúng Nội dung tiểu luận gồm phần sau: Chương 1: Tổng quan ba loại vật liệu từ Chương 2: Vật liệu từ mềm ferit spinel vật liệu từ cứng ferit hecxagonal -1 Vật liệu từ ứng dụng CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BA LOẠI VẬT LIỆU TỪ 1.1 Các ứng dụng vật liệu từ cứng từ mềm 1.1.1 Ứng dụng vật liệu từ cứng Đã có nhiều vật liệu từ cứng phát hiện, nghiên cứu ứng dụng nhiều lĩnh vực với nhiều mục đích khác Các loại vật liệu từ cứng kể đến là: • Các loại thép nam châm • Các nam châm sở hợp kim sắt từ mà điển hình nam châm hợp kim AlNiCo • Các nam châm ferit • Các nam châm đất sở coban • Các nam châm đất NdFeB Các vật liệu từ cứng sử dụng làm nam châm vĩnh cửu, ứng dụng nhiều lĩnh vực khác đời sống kỹ thuật Nam châm vĩnh cửu sử dụng dạng đơn giản thiết bị động cơ, máy phát, khởi động điện từ, loa điện động … linh kiện công nghệ cao các cảm biến, đĩa ghi từ mật độ cao, vi khởi động điện từ… Trong tình trạng khủng hoảng lượng ô nhiễm môi trường nay, vấn đề sử dụng nguồn lượng tái tạo lại toàn giới đặc biệt quan tâm phát triển mạnh mẽ Nam châm vĩnh cửu đóng vai trò quan trọng thiếu hầu hết thiết bị chuyển đổi dạng lượng thành lượng điện Có thể phân loại ứng dụng nam châm vĩnh cửu thiết bị sở tác dụng chúng sau: • Nam châm vĩnh cửu dùng để biến đối điện thành (các loại động cơ) biến đổi thành điện (các loại máy phát) • Nam châm vĩnh cửu dùng để tạo lực tác dụng lên vật liệu dẫn từ (vật liệu từ mềm, biến thế, nâng từ, đồ chơi, vật liệu từ gia dụng,v.v…) -2 Vật liệu từ ứng dụng • Nam châm vĩnh cửu định hướng theo hướng từ trường (kim địa bàn …) • Nam châm vĩnh cửu dùng để tạo lực tác dụng lên hạt điện tích chuyển động Vật liệu từ cứng dùng để chế tạo nam châm vĩnh cửu sử dụng làm vật liệu ghi từ ổ đĩa cứng, băng từ Một số loại nam châm vĩnh cửu chế tạo từ vật liệu từ cứng là: +) Nam châm AlNiCo: loại nam châm chế tạo từ hợp kim nhôm, niken, côban số phụ gia khác đồng, titan… Đây loại nam châm cho từ dư cao (tới 1.2 - 1.5 T) có lực kháng từ xung quanh 1kOe, đồng thời giá thành cao nên tỉ lệ sử dụng ngày giảm dần +) Ferrite từ cứng: loại nam châm vĩnh cửu chế tạo từ ferit từ cứng (như ferit Ba, Sr…) vật liệu dạng gốm bổ sung nguyên tố đất để cải thiện tính từ cứng Loại nam châm có hàm lượng ôxy cao nên có từ độ thấp, có lực kháng từ từ đến kOe, có khả cho tích lượng từ cực đại lớn không 6MGOe Hiện loại nam châm chiếm tới 50% thị phần sử dụng ưu điểm giá thành cực rẻ, chế tạo gia công dễ, độ bền cao +) Nam châm đất hiếm: loại nam châm vĩnh cửu tạo từ hợp kim hợp chất kim loại đất kim loại chuyển tiếp Nam châm nhiệt độ cao SmCo: hệ nam châm vĩnh cửu chế tạo từ hợp chất ban đầu SmCo5 phát minh năm 1966 tiến sĩ Karl J Strnat U.S Air Force Materials Laboratory có tích lượng từ cực đại 18 MGOe, sau Karl J Strnat lại phát minh hợp chất Sm2Co17 có tích lượng từ tới 30 MGOe vào năm 1972 Hệ nam châm SmCo có nhiệt độ Curie cao (có thể đạt tới 1100 oC) có lực kháng từ cực lớn (tới vài chục kOe) nhờ cấu trúc dạng đặc biệt Vì thế, loại nam châm sử dụng ứng dụng nhiệt độ cao (ví dụ động phản lực ) Nam châm NdFeB (neodymium): hệ nam châm dựa hợp chất R2Fe14B (R ký hiệu nguyên tố đất ví dụ Nd, Pr ) có cấu trúc tinh thể kiểu tứ giác với lực kháng từ lớn (hơn 10 kOe) từ độ bão hòa cao (tới 1,56 T) nên loại nam châm vĩnh cửu mạnh với khả cho tích -3 Vật liệu từ ứng dụng lượng từ tới 64 MGOe (tính toán theo lý thuyết) Năm 1983 nam châm Nd2Fe14B lần phát minh R Sagawa (Nhật Bản) có tích lượng từ 57 MGOe Tuy nhiên, loại nam châm lại sử dụng nhiệt độ cao có nhiệt độ Curie 312oC Nam châm đất NdFeB sử dụng ổ cứng máy tính (hình 1.1) Hình 1.1 Hình ảnh nam châm đất NdFeB Điểm yếu chung nam châm đất có giá thành cao (do chứa sử dụng ổ cứng máy tính nhiều nguyên tố đất đắt tiền), có độ bền (do nguyên tố đất có tính ôxy hóa cao) Vì nam châm đất loại sử dụng nhiều (đứng sau nam châm ferit) +) Nam châm tổ hợp nano: loại nam châm đời từ đầu thập kỷ 90 kỷ 20, có cấu trúc tổ hợp pha từ cứng từ mềm kích thước nanomet Các pha từ cứng (chiếm tỉ phần thấp) cung cấp lực kháng từ lớn, pha từ mềm cung cấp từ độ lớn Tính chất tổ hợp có nhờ liên kết trao đổi đàn hồi hạt pha từ cứng từ mềm kích thước nanomet Loại nam châm tính toán có khả cho tích lượng từ khổng lồ lần so với nam châm mạnh NdFeB thực nghiệm đạt nhỏ so với lý thuyết sản phẩm thực nghiệm giai đoạn sản xuất thử nghiệm Ngoài nhiều loại nam châm với tính chất khác Tùy theo nhu cầu sử dụng mà người ta chế tạo loại nam châm khác Những lĩnh vực ứng dụng chủ yếu nam châm loa điện, môtơ điện, thiết bị đo điện,… Trong vài năm gần phạm vi ứng dụng nam châm vĩnh cửu mở rộng nhiều, đặc biệt ngành điện, điện tử, giao thông vận tải, y sinh học Các máy phát điện chạy sức gió, sức nước dùng động nam châm vĩnh cửu góp phần bổ sung nguồn lượng thiếu hụt ngày đắt đỏ trái đất, môtơ chiều cho xe đạp, xe máy, ôtô chạy điện giảm ô nhiễm môi trường Các viên từ chữa -4 Vật liệu từ ứng dụng đau đầu, đau khớp, huyết áp cao… sử dụng ngày phổ biến Đặc biệt hạt bột từ cỡ nano mét chất lỏng từ để tải thuốc tới chữa trị khối u quan tâm nghiên cứu Chính ứng dụng phong phú đa dạng mà sản lượng nam châm không ngừng phát triển 1.1.2 Ứng dụng vật liệu từ mềm Các vật liệu từ mềm đa dạng, khối lượng sử dụng lớn, ứng dụng nhiều lĩnh vực khác Các vật liệu từ mềm sử dụng làm vật dẫn từ đường dây tải điện, máy biến thế, máy điện, rơle, máy đo, lõi cuộn cảm, chắn từ, Vật liệu từ mềm đóng vai trò khuếch đại cảm ứng từ Ngoài ra, có số yêu cầu riêng cho ứng dụng cụ thể Ví dụ, vật liệu từ mềm dùng làm chắn từ để chắn không cho đường sức từ xuyên qua yêu cầu chủ yếu vật liệu là, độ từ thẩm ban đầu μ0 độ từ thẩm cực đại μ max phải cao Nếu dùng vật liệu từ mềm làm biến xung đường từ hóa ban đầu vật liệu dốc đứng tốc độ tăng xung lớn Có nhiều loại vật liệu từ mềm nghiên cứu, ché tạo ứng dụng với mục đích khác Các vật liệu từ mềm kể đến là: - Kim loại, hợp kim từ mềm (sắt tinh khiết kỹ thuật, thép kỹ thuật điện, permalloys… ) - Điện môi từ - Ferit từ mềm - Vật liệu từ mềm vô định hình có kích thước nanomet Vật liệu từ mềm ứng dụng làm lõi dẫn từ máy biến thế, lõi cuộn cảm, lõi tạo từ trường nam châm điện, cảm biến đo từ trường… Các vật liệu ferit có điện trở suất lớn (tới 106 Ωcm) sử dụng hiệu lĩnh vực cao tần Nhiều loại vật liệu có tính từ giảo sử dụng làm thiết bị siêu âm Máy biến hay máy biến áp thiết bị điện thay đổi hiệu điện xoay chiều, tăng hạ thế, đầu cho hiệu điện tương ứng với nhu cầu sử dụng đóng vai trò quan trọng truyền tải điện Cấu tạo -5 Vật liệu từ ứng dụng máy biến thường hai hay nhiều cuộn dây đồng cách điện quấn lõi sắt hay sắt từ ferit (hình 1.2) Hình 1.2 Hình ảnh bên máy biến Cuộn cảm linh kiện điện tử thụ động, thường dùng mạch điện có dòng điện biến đổi theo thời gian (như mạch điện xoay chiều) Cuộn cảm có tác dụng lưu trữ lượng dạng từ (năng lượng từ trường tạo cuộn cảm dòng điện qua) làm dòng điện bị trễ pha so với điện áp góc 90° Hình 1.3 ví dụ cuộn cảm có lõi làm ferit Hình 1.3 Ảnh chụp lõi ferrite cuộn cảm sử dụng tần số cao (dẫn sóng, tách sóng) Nam châm điện dụng cụ tạo từ trường hay nguồn sản sinh từ trường hoạt động nhờ từ trường sinh cuộn dây có dòng điện lớn chạy qua Cảm ứng từ nam châm điện dẫn tạo thành lớn nhờ việc sử dụng lõi dẫn từ làm vật liệu từ mềm có độ từ thẩm lớn cảm ứng từ bão hòa cao Khác với nam châm vĩnh cửu có cảm ứng từ cố định, nam châm điện có cảm ứng từ thay đổi nhờ việc điều khiển dòng điện chạy qua cuộn dây Nam châm điện lần -6 Vật liệu từ ứng dụng phát minh nhà điện học người Anh William Sturgeon (1783-1850) vào năm 1825 (hình 1.4) Hình 1.4 Hình ảnh nam châm điện làm từ lõi sắt non Nam châm điện Sturgeon lõi sắt non hình móng ngựa có số vòng dây điện quanh Khi cho dòng điện sinh pin nhỏ chạy qua, lõi sắt bị từ hóa cảm ứng từ sinh đủ mạnh để hút lên hộp sắt nặng ounce Khi ngắt dòng điện, từ trường lõi biến Cảm biến đo từ trường thường dùng màng mỏng từ mềm Hình 1.5 cấu tạo cảm biến sử dụng hiệu ứng từ trở (Magnetoresistance - MR thay đổi điện trở suất vật liệu tác dụng từ trường ngoài) cảm biến sử dụng hiệu ứng từ trở khổng lồ (Giant Magnetoresistance - GMR - thay đổi lớn điện trở vật liệu từ tác dụng từ trường ngoài) Hai đầu cảm biến hai lớp chắn từ không cho từ trường bên làm ảnh hưởng đến lớp Ở màng đa lớp gồm lớp màng mỏng: lớp sensing (làm từ NiFe), lớp spacer (vật liệu đồng), lớp pinned (làm từ Co) lớp exchange Ba lớp đầu mỏng, cho phép electron dẫn di chuyển tự từ lớp sensing sang lớp pinned ngược lại thông qua lớp spacer Hướng từ hóa lớp pinned cố định, hướng từ hóa lớp sensing thay đổi theo từ trường Khi lớp pinned lớp sensing có hướng mômen từ, điện tử có spin song song với mômen từ di chuyển tự hai lớp màng mỏng, điện trở thu nhỏ Khi ta đổi hướng từ hóa lớp sensing, lớp pinned lớp sensing có mô men từ ngược hướng nhau, điện tử có spin hướng lên bị cản trở lớp màng -7 Vật liệu từ ứng dụng từ, điện tử có spin hướng xuống bị cản trở lớp màng từ lại, kết điện trở thu lớn Hình 1.5 Cấu tạo cảm biến MR cảm biến GMR sử dụng ổ đĩa cứng 1.2 Các yêu cầu tính chất từ vật liệu từ cứng vật liệu từ mềm Tính mềm/cứng không nằm tính chất học, mà nằm khả khó hay dễ bị từ hoá khử từ Như vậy, thông số ban đầu nói lên tính cứng/mềm giá trị lực kháng từ HC Các đường cong từ trễ hình 1.6 cách phân chia tương đối vật liệu từ mềm/cứng Ta thấy vật liệu từ mềm có giá trị H C nhỏ (thường 102 Oe Trong vật liệu từ cứng có HC lớn 102 Oe -8 Vật liệu từ ứng dụng Hình 1.6 Các đường cong từ trễ vật liệu từ cứng vật liệu từ mềm Ba yêu cầu chung cho vật liệu từ mềm là: • Từ hóa dễ, nghĩa từ trường H đặt vào để từ hóa vật liệu với giá trị nhỏ mà cảm ứng từ B đạt lớn (vật liệu có giá trị μ lớn, μmax lớn Hc nhỏ) • Cảm ứng từ cực đại Bs có giá trị cao Điều có nghĩa là, vật liệu từ mềm với thể tích không đổi, số đường sức từ qua nhiều giảm kích thước vật liệu sử dụng Có thể hai điều kiện không thỏa mãn đồng thời loại vật liệu • Khi sử dụng vật liệu từ mềm từ trường xoay chiều xuất tổn hao, yêu cầu tổn hao nhỏ Vật liệu từ mềm có độ từ thẩm μ phải lớn tốt, ta biết quan hệ B=μ0.μ.H, nghĩa ta có giá trị μ lớn, ta tạo cảm ứng từ lớn từ trường không cần lớn Độ từ thẩm vật liệu từ mềm lớn, mà phụ thuộc vào từ trường, thế, người ta dùng hai thông số độ từ thẩm vật liệu từ mềm để nói lên tính "mềm" nó, là: - Độ từ thẩm ban đầu µi (initial permeability) độ từ thẩm giá trị H=0, B H →0 H xác định tỉ số: µi = lim (1.1) -9 Vật liệu từ ứng dụng - Độ từ thẩm cực đại µmax (maximum permeability) giá trị cực đại độ từ thẩm, không phụ thuộc vào từ trường ngoài, phụ thuộc vào chất vật liệu Hình 1.7 Đường cong từ trễ vật liệu từ mềm thông số đặc trưng đường trễ Từ độ bão hoà BS vật liệu từ mềm thường lớn, vật liệu từ cứng thường có từ độ bão hòa nhỏ Cảm ứng từ dư B r cảm ứng từ dư sau ngắt từ trường Vật liệu từ cứng có cảm ứng từ dư cao nguyên vẹn sau ngắt từ trường từ hóa, muốn triệt tiêu ta phải từ hóa vật theo chiều ngược lại với từ trường khử lớn (tới hàng trăm kA/m) Trái lại vật liệu từ mềm, sau ngắt từ trường từ hóa cảm ứng từ dư vật biến nhỏ, dễ khử từ trường khử bé (cỡ vài trăm A/m) Đối với vật liệu từ mềm, thông số khác mà người ta quan tâm đến tổn hao trễ, hay lượng bị mát chu trình từ trễ (hysteresis loss), tính diện tích giới hạn đường cong từ trễ Vật liệu từ mềm tốt, yếu tố HC nhỏ, μ cao, IS lớn, cần có tổn hao trễ nhỏ tốt Nhưng vật liệu sử dụng từ trường xoay chiều (ví dụ lõi biến thế), lại phát sinh tổn hao khác đáng ý, tổn hao dòng xoáy (Eddy current loss) đặt vào từ trường xoay chiều, xuất dòng Foucault chạy kín lõi làm toả nhiệt lõi Công suất toả nhiệt cho công thức: -10 Vật liệu từ ứng dụng định hướng tương (song song, phản song song) cho phép dòng điện tử (dòng spin) truyền qua truyền qua, hay nói cách khác, từ độ lớp sắt từ hoạt động van đóng mở spin Tuy nhiên, cấu trúc đơn giản với quay lớp sắt từ theo từ trường tự việc điều khiển tín hiệu trở nên khó khăn Hiện cấu trúc spin valve gồm lớp chính: bên lớp màng mỏng vật liệu phản sắt từ (hiện sử dụng phổ biến IrMn ), bên lớp lớp sắt từ có từ độ bị ghim lớp phản sắt từ nên có từ độ bị giữ theo hướng (gọi lớp ghim), phía lớp phi từ (hoặc lớp điện môi), lớp sắt từ với từ độ quay tự Hình 1.18 Cấu trúc cắt ngang màng đa lớp spin valve với liên kết phản sắt từ Với mô hình này, đặt từ trường có từ độ lớp tự bị quay theo từ trường hiệu ứng từ điện trở phụ thuộc vào từ độ lớp bên Từ độ lớp ghim bên bị quay có từ trường đủ lớn để phá vỡ liên kết với lớp phản sắt từ (hình 1.19) -Hình 1.19 Liên kết phản sắt từ 23 màng mỏng đa lớp spin - valve đầu đọc ổ đĩa cứng Vật liệu từ ứng dụng 1.4.3 Đầu đọc ghi ổ đĩa quang Ổ đĩa quang loại thiết bị dùng để đọc đĩa quang, sử dụng loại thiết bị phát tia laser chiếu vào bề mặt đĩa quang phản xạ lại đầu thu giải mã thành tín hiệu để đọc ghi đĩa tròn (hình 1.20) Hình 1.20 Hệ thống đèn laser, thấu kính cảm biến ổ đĩa quang Chẳng hạn đĩa CD rom, liệu ghi lên đĩa dạng tín hiệu số 0, đầu ghi, người ta sử dụng súng laser để ghi liệu lên đĩa Hình 1.21 trình bày nguyên lý ghi liệu lên đĩa CD rom -24 Vật liệu từ ứng dụng Hình 1.21 Nguyên lý ghi liệu lên đĩa CD rom Đĩa quay với tốc độ cao súng laser chiếu tia laser lên bề mặt đĩa, tia laser điều khiển tắt sáng theo tín hiệu hay đưa vào (ứng với tín hiệu tia laser tắt, ứng với tín hiệu tia laser sáng đốt cháy bề mặt đĩa thành điểm làm khả phản xạ) Còn trình đọc liệu ghi từ đĩa CD rom, người ta sử dụng tia laser ( yếu lúc ghi ) chiếu lên bề mặt đĩa dọc theo đường track có liệu, sau hứng lấy tia phản xạ quay lại đổi chúng thành tín hiệu điện Khi tia laser chiếu qua điểm bề mặt đĩa bị đốt cháy tia phản xạ tín hiệu thu Khi tia laser chiếu qua điểm bề mặt đĩa không bị đốt cháy có tia phản xạ tín hiệu thu Tia phản xạ ma trận diode đổi thành tín hiệu điện, sau khuếch đại xử lý ta thu tín hiệu ban đầu Hình 1.22 trình bày nguyên lý đọc tín hiệu từ đĩa CD rom Hình 1.22 Nguyên lý đọc tín hiệu từ đĩa CD rom -25 Vật liệu từ ứng dụng PHẦN 2: VẬT LIỆU TỪ MÊM FERIT SPINEN VÀ VẬT LIỆU TỪ CỨNG FERIT LỤC GIÁC 2.1 Vật liệu từ mềm Ferit spinen 2.1.1 Cấu trúc tinh thể ferit spinen Ferit spinel ứng dụng rộng rãi công nghiệp đời sống Công thức hóa học ferit spinel đơn giản (không chứa hai cation hóa trị khác nhau) viết dạng: M2+O2-Fe23+ O3 2- (MFe2O4) (2.1) với M ion Mn 2+, Fe2+, Co2+, Ni2+, Cu2+, Zn2+, Cd2+, Mg2+ Bán kính ion nằm khoảng từ 0,4 đến 1Å Tên gọi ferit mang tên ion hóa trị hai Ví dụ CoFe2O4: ferit coban, MnFe2O4 : ferit mangan, Ngoài dạng ferit spinel đơn giản, có ferit hỗn hợp đó, ion hóa trị +2 +3 thay tổ hợp ion khác với điều kiện cân hóa trị biểu thức hóa học ferit tinh thể hóa cho phép Ferit spinel có cấu trúc lập phương tâm mặt xếp chặt tạo ion oxy với số mạng a ≈ 8,4 Å (hình 2.1) Một ô ferit spinel chứa biểu thức MFe 2O4 ; 32 ion oxy tạo nên 64 lỗ trống bốn mặt 32 lỗ trống mặt Tuy nhiên, có lỗ trống mặt (chiếm 1/8 lỗ trống) 16 lỗ trống mặt (chiếm 1/2 lỗ trống) có ion kim loại chiếm chỗ Các lỗ trống chiếm chỗ trên, quy ước, gọi vị trí A B hay phân mạng A (bốn mặt) B (tám mặt) tương ứng Khi thay ion dương mạng spinen bàng ion khác với bán kính -26 Vật liệu từ ứng dụng khác nhau, tạo nên biến dạng mạng tinh thể phụ thuộc vào độ lớn bán kính ion thay Hình 2.1.Cấu trúc tinh thể ferit spinen Tùy thuộc vào phân bố caction, có dạng cấu trúc spinen: • Spinen thường: tất ion Me2+ nằm vị trí A Thông thường ferit viết dạng: Me2+ [Fe23+]O42- Đó ferit ZnFe2O4 CdFe2O4 • Ferit spinen đảo: tất ion Me2+ nằm vị trí B, ion Fe3+ lại phân chia vị trí A B Dạng cấu trúc Ferit spinen đảo Fe 3+ [Me2+Fe3+]O42-, ví dụ ferit NiFe2O4 CoFe2O4 • Ferit spinen hỗn hợp: cation Me2+ Fe3+ đồng thời phân bố vị trí A vị trí B với công thức sau: Me2+(1- δ)Fe3+ δ [ Me2+δ Fe3+(2-δ)]O2-4 Với ≤δ ≤1, δ số lượng ion Fe3+ chiếm vị trí mặt, đặc trưng độ đảo ferit Việc xác định phân bố cation Ferit spinen có tầm quan trọng đặc biệt để tiên đoán trước tính chất từ Ferit (theo mẫu Néel) vùng nhiệt độ thấp Các yếu tố ảnh hưởng tới phân bố ion spinen là: -27 Vật liệu từ ứng dụng • Độ lớn bán kính ion Do lỗ trống mặt nhỏ lỗ trống mặt, ion có bán kính nhỏ, có xu hướng chiếm vị trí A Các ion hóa trị +3 thường có bán kính nhỏ ion hóa trị +2 đó, Ferit spinen có xu hướng tạo nên spinen đảo • Năng lượng tương tác tĩnh điện spinen Sự phân bố ion phụ thuộc vào nhiệt độ nung mẫu, môi trường tạo mẫu chế độ hạ nhiệt độ mẫu Độ đảo (δ) Ferit phụ thuộc vào nhiệt độ theo biểu thức: δ (1 + δ ) = e − E / k BT (1 − δ ) (2.2) Với k B số Boltzmann, T: nhiệt độ (K), E: lượng cần thiết để tái phân bố cation hai vị trí A B Thông thường δ có giá trị cao mẫu từ nhiệt độ cao chế tạo mẫu Nhưng làm nguội chậm mẫu từ nhiệt độ cao, tốc độ khuếch tán ion tương đương với tốc độ làm nguội, tạo nên trạng thái cân lượng, đó, giá trị δ nhỏ 2.1.2 Momen từ ferit spinel Các ion từ tính ferit ngăn cách ion oxy có đường kính lớn Trật tự từ ferit tương tác trao đổi gián tiếp (siêu tương tác) on từ tính Momen từ ferit tính theo mẫu Néel Theo mẫu Néel, ion từ tính có hóa trị + 3+ Ferit nằm hai vị trí A B tạo thành hai phân mạng từ A B tương ứng Tương tác ion hai phân mạng A B phản sắt từ có giá trị lớn góc hợp ion phân mạng A-oxy-phân mạng B gần 1800 tương tác ion phân mạng A B nhỏ (góc hợp ion phân mạng A-oxy-phân mạng A vào khoảng 900 B-oxy-B vào khoảng 800) Do đó, momen từ hai phân mạng A-B định hướng đối song song tạo nên trật tự phản sắt từ Nhưng phân bố ion từ hai phân mạng không tương đương nên có momen từ Ferit Thực tế, tương tác phân mạng phản sắt từ, tương tác AB mạnh nên momen từ phân mạng định hướng song song với -28 Vật liệu từ ứng dụng Bảng2.1 Nhiệt độ Curie, moment từ số ferit spinel tính theo mẫu Néel số đo momen từ K Các ferit spinen Mn 80% Loại thuận Fe Co Ni Cu Zn Đảo Đảo Đảo Đảo Thuận M (lý thuyết) (μB) M (thực ngiệm) (μB ) 4,6 4,1 3,7 2,3 1,3 Tc (k) 300 585 520 585 455 Tn ≈ 9K Tại không độ tuyệt đối, biết phân bố ion tính momen từ bão hòa ferit spinen Ví dụ, với ferit spinen đảo ta có: A Fe → B (Fe3+ Me2+) ← O4 (2.3) → Momen từ Fe3+ (3d5) 5μB , momen từ ion Me2+, giả sử, mμB Momen từ tính phân tử từ tính theo (2.3) 0K là: M = [ ( 5+m )μB –5μB ] = mμB (2.4) 2.1.3 Ferit Ni – Zn (NiO-ZnO-Fe2O3) -29 Vật liệu từ ứng dụng Ferit Ni cho µo thấp, để làm tăng µo người ta thêm vào lượng oxit kẽm Muốn cho lượng Fe2+ thông thường nhiệt độ nung thiêu kết ferit không vượt 1250oC Trong tất họ ferit , ferit Ni Ni-Zn nghiên cứu xưa nhiều (cả loại hợp thức không hợp thức) Người ta thấy : với ferit NiZn (có chứa 30% ZnO) nung nhiệt độ 1320oC bắt đầu thấy Zn bay khỏi pherít, để lại tạp chất làm cho độ xốp ferit tăng lên làm cho Tc thay đổi Thường người ta quan tâm đến loại : (1) : Loại µo cao > 1200 G/Oe dùng làm lõi biến đrôsen Nhưng vói µo = 5000 G/Oe Tc 20oC dẫn đến tần số sử dụng thấp Loại thường dùng dải trung tần (cỡ MHz) (2) : Loại µo = 100÷1200 G/Oe : chủ yếu sử dụng làm lõi cho cuộn cảm (thay đổi độ tự cảm L), tần số sử dụng cao loại (3) : Loại µo = 10÷100 G/Oe dùng tần số cao siêu cao Trong số có loại quan trọng với thành phần cụ thể sau: 48,5% phân tử gam Fe2O3 cho giá trị 35,5% phân tử gam ZnO µo Q ≈ 105 416% phân tử gam NiO Với thành phần,cho ta thông số từ cao µo = 5000 µm = 7560 H µ m = 0,08Oe Tc = 30oC Bs = 1965 G Hc = 0,05 Oe Tonung sơ : 950oC ToTK : 1200oC Nồng độ Zn tăng làm cho λs giảm, ta có đồ thị sau: Trong hệ ferit Ni-Zn người ta thêm vào số tạp sau : Al2O3, BeO, Nd2O3, ZrO2 với hàm lượng nhỏ để làm tăng phẩm chất từ (nói chung loại sử dụng) Hình 2.2 Sự phụ thuộc từ giảo vào -nồng độ ZnFe2O4 30 Vật liệu từ ứng dụng 2.1.3 Ferit Mn – Zn Thông thường tỉ lệ : MnFe2O4 = 50÷75% ZnFe2O4 = 50÷25% Việc thêm ZnO vào ferit Mn có tác dụng làm giảm tổn hao so với ferit khác có µo tương đương khoảng tần số hoạt động : f = 0,3÷0,8 MHz Khi nồng độ Zn > 50% làm cho µo tăng nhiên hệ số phẩm chất Q lại giảm xuống Ferit MnZn có nhược điểm khác hẳn so với ferit khác vật liệu có điện trở suất ρ nhỏ, cỡ 100÷101 Ωcm Tỷ lệ tối ưu ferit Mn-Zn (đạt tùy thuộc vào phương pháp chế tạo) Mn0,5Zn0,5Fe2O4 Với thành phần này, thông số từ vật liệu đạt sau : µo ≥ 5000 G/Oe T oTK ≥ 1350oC (lưu ý Zn dễ bay hơi, phải có cách giữ lại trình chế tạo) Các nghiên cứu vè ferit Mn-Zn chủ yếu tập trung xung quanh tỉ lệ thành phần (50/50) Các nghiên cứu xử lý nhiệt cho loại thành phần tìm chế độ thích hợp đạt giá trị Q kỷ lục : Q =200, có điều đáng tiếc giá trị µo lại giảm (bảng 2.2) Bảng 2.2 Thông số từ mềm số thành phần loại ferit MnZn Fe2O3 MnO ZnO %O2 N2 51,8 27,3 20,9 0,3 52,2 38 9,8 0,4 53 31,4 15,6 0,2 Bm[G] 4500 5300 µo Phx103 Pfx109 Tc[oC] 3650 340 236 150 2340 333 333 240 2560 222 96 215 Theo Snoek Guilland: muốn cho phẩm chất ferit Mn-Zn tốt phải nung vật liệu môi trường phi oxy (ví dụ N 2,H2 chân không với giá trị -31 Vật liệu từ ứng dụng 0,1÷1 mmHg) Đối với ferit Mn nghiên cứu cho thấy độ lớn hạt tinh thể ảnh hưởng mạnh đến phẩm chất từ vật liệu Với pherít MnZn : kích thước hạt D có giá trị sau D < 5,5 µm trình từ hóa chủ yếu : quay → µo thấp D > µm trình từ hóa chủ yếu : dịch vách → µo tăng đột ngột Từ kết ta suy : ferit Mn-Zn nhiệt độ thiêu kết cao tốt trình cho độ hạt lớn 2.2 Vật liệu từ cứng ferit hecxagonal 2.2.1 Cấu trúc tinh thể ferit hecxagonal loại M (MeFe12O19, Me = Ba, Sr,Pb) Vào đầu năm 50 kỷ XX, tình nghiên cứu tìm kiếm vật liệu ferit mới, hãng Philip (Hà Lan) phát loại vật liệu ferit từ cứng có công thức hóa học BaO.6Fe2O3 sau MeFe12O19 (Me = Ba, Sr,Pb) tổ hợp chúng Ô mạng MeFe 12O19 có cấu trúc lục giác Mạng lục giác MeFe12O19 chứa 10 lớp ion có đường kính lớn phi từ tính Me2+ O2- với lớp chứa ion, xếp song song theo trục c Tám 10 lớp chứa ion oxy, hai lớp khác chứa ion oxy ion Me Mười lớp hợp thành khối có cấu trúc lập phương hai khối có cấu trúc lục giác (hình 2.3) Trong khối cấu trúc lập phương ion oxy tạo nên lôc trống bốn mặt lỗ trống tám mặt chứa ion Fe2+ giống cấu trúc spinel Trong khối lục giác, lớp chứa ion Me2+ nằm hai lớp khác hình chóp kép với đỗi xứng bậc tạo nên lỗ trống sáu mặt Lỗ trống tạo nên ion oxy nằm góc -32 Vật liệu từ ứng dụng Hình 2.3.Cấu trúc tinh thể giản đồ pha ferit lục giac BaFe12O19 Vậy MeFe12O19 có ba loại lỗ trống có cấu trúc tinh thể khác nhau: bốn mặt, sáu mặt tám mặt Mỗi ô mạng có 24 ion Fe 3+ nằm vị trí bốn mặt, 18 vị trí tám mặt vị trí sáu mặt Trên bảng 2.3 trình bày số thông số tính chất vật lý vật liệu ferit lục giác MeFe12O19 Bảng 2.3 Một số tính chất vật lý ferit MeFe12O19 2.2.2 Tính chất từ ferit lục giác Xét vật liệu từ cứng ferit lục giác BaO.6Fe2O3 Tương tác ion Fe3+ cấu trúc ferit M tương tác trao đôi gián tiếp qua ion oxy Như -33 Vật liệu từ ứng dụng ra, cấu trúc ferit M gồm hai khối spinel hai khối cấu trúc lục giác Mỗi ô mạng ferit M chứa 24 ion Fe3+ Các momen từ Fe3+ nằm theo hướng vuông góc với lớp chứa oxy bari Nghĩa là, momen từ Fe 3+ định hướng song song đối song song với trục c mạng tinh thể, theo phương [0001] Theo kết nghiên cứu nhiễu xạ nơtron phương pháp đo momen từ K ô mạng ferit, momen từ 16 ion Fe 3+ định hướng song song ion Fe 3+ có định hướng ngược lại Do momen từ : (16 − 8)5µ B = 20 µ B , hay 100 emu/g K Tại 300 K, M giảm xuống 72 emu/g Bảng 2.4 số số liệu từ tính ferit lục giác MeFe12O19 Ferit Tc(K) Momen từ bão hòa 0K 300 K emu/g μB/mol emu/g BaFe12O19 100 20 67 72 750 PbFe12O19 80 18,6 - 752 SrFe12O19 108 20,6 65 ÷ 74 760 CaFe12O19 - - - 745 Na0,5La0,5Fe12O19 - 21,5 - 740 ± 10 Ag0,5La0,5Fe12O19 - - - 735 Bảng 2.4 Một số số liệu từ tính ferit MeFe12O19 Ferit lục giác MeFe12O19 có mật độ Rơnghen 5,11 (g/cm3) có độ dị hướng (theo trục c) lớn nên dùng để chế tạo nam châm vĩnh cửu Ở nhiệt độ phòng, giá trị số dị hướng K1 = 3,2.106 erg/cm3 đóng góp vào giá trị Hc cao ferit lục giác Bảng 2.5 số số liệu thể tính chất từ vật liệu ferit BaFe12O19 đăng hướng dị hướng -34 Vật liệu từ ứng dụng Bảng 2.5 Tính chất từ của ferit BaFe12O19 đăng hướng dị hướng Ngay từ phát hiện, nam châm ferit lục giác quan tâm, sản xuất với số lượng lớn trì tận giá thành rẻ, nguyên liệu ban đầu Fe2O3 có nhiều dễ kiếm, BaO chất thài ngành công nghiệp phân bón Mặt khác quy trình công nghệ dùng để sản xuất nam châm ferit phương pháp gốm thông thường, rẻ dễ thực Tùy theo công gnheej ché tạo mà ta có hai loại nam châm ferit đẳng hướng dị hướng -35 Vật liệu từ ứng dụng MỤC LỤC MỞ ĐẦU Error: Reference source not found CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BA LOẠI VẬT LIỆU TỪ Error: Reference source not found 1.1 Các ứng dụng vật liệu từ cứng từ mềm Error: Reference source not found 1.1.1 Ứng dụng vật liệu từ cứng .Error: Reference source not found 1.1.2 Ứng dụng vật liệu từ mềm .Error: Reference source not found 1.2 Các yêu cầu tính chất từ vật liệu từ cứng vật liệu từ mềm .Error: Reference source not found 1.3 Nguyên tắc ghi từ yêu cầu vật liệu ghi từ Error: Reference source not found 1.3.1 Nguyên tắc ghi từ Error: Reference source not found 1.3.2 Các yêu cầu vật liệu ghi từ Error: Reference source not found 1.4 Một số loại đầu ghi đọc từ .Error: Reference source not found 1.4.1 Đầu đọc ghi ổ đĩa mềm Error: Reference source not found 1.4.2 Đầu đọc ghi ổ đĩa cứng Error: Reference source not found 1.4.3 Đầu đọc ghi ổ đĩa quang Error: Reference source not found -36 Vật liệu từ ứng dụng -PHẦN 2: VẬT LIỆU TỪ MÊM FERIT SPINEN .Error: Reference source not found 2.1 Vật liệu từ mềm Ferit spinen Error: Reference source not found 2.1.1 Cấu trúc tinh thể ferit spinen Error: Reference source not found 2.1.2 Momen từ ferit spinel Error: Reference source not found 2.1.3 Ferit Ni – Zn (NiO-ZnO-Fe2O3) Error: Reference source not found 2.1.3 Ferit Mn – Zn Error: Reference source not found 2.2 Vật liệu từ cứng ferit hecxagonal Error: Reference source not found 2.2.1 Cấu trúc tinh thể ferit hecxagonal loại M (MeFe12O19, Me = Ba, Sr,Pb) Error: Reference source not found 2.2.2 Tính chất từ ferit lục giác……………………………………… .Error: Reference source not found -37 [...]... chất từ của vật liệu từ cứng và vật liệu từ mềm Vật liệu từ và ứng dụng yếu của một nam châm Vì thế đường cong từ trễ I(H) càng có dạng hình chữ nhật càng tốt Hình 1.8 Cách xác định tích năng lượng từ cực đại trên đường cong từ trễ của vật liệu từ cứng Bảng1.1 Bảng so sánh các yêu cầu về tính chất từ của vật liệu từ cứng và vật liệu từ mềm Vật liệu. .. Các ứng dụng của vật liệu từ cứng và từ mềm Error: Reference source not found 1.1.1 Ứng dụng của vật liệu từ cứng .Error: Reference source not found 1.1.2 Ứng dụng của vật liệu từ mềm .Error: Reference source not found 1.2 Các yêu cầu về tính chất từ của vật liệu từ cứng và vật liệu từ mềm .Error: Reference source not found 1.3 Nguyên tắc ghi từ và các yêu cầu về vật liệu ghi từ Error: Reference source... khi sử dụng vật liệu từ mềm trong những ứng dụng cụ thể Các thông số từ cần phải ổn định trong khoảng nhiệt độ và thời gian sử dụng Nói chung, đối với vật liệu từ mềm, giá trị từ thẩm càng cao càng tốt Các vật liệu từ cứng phải có lực kháng từ H c lớn, cảm ứng từ dư lớn và tích năng lượng cực đại lớn Ngoài ra để ứng dụng được trong thực tế vật liệu làm nam châm vĩnh cửu phải là vật liệu sắt từ có dị... liệu từ cứng Vật liệu từ mềm (Hard magnetic materials) (Soft magnetic materials) Là nhóm các vật liệu khó khử từ và khó Là các vật liệu dễ từ hoá và cũng dễ từ hoá khử từ Lực kháng từ HC lớn Lực kháng từ HC nhỏ Độ từ thẩm µ nhỏ Độ từ thẩm µ cao Độ từ hóa bão hòa IS nhỏ Độ từ hóa bão hòa IS lớn Cảm ứng từ dư Br khá cao, cường độ Cảm ứng từ dư Br khá nhỏ, cường độ trường khử từ khá lớn trường khử từ rất... cũng được sử dụng Vật liệu ghi từ phải có lực kháng từ không quá cao, tương ứng với từ trường đầu ghi tạo ra được đồng thời lại không quá thấp để vẫn còn giữ được mômen từ dưới tác dụng của các trường tĩnh từ của các bít xung quanh Lực kháng từ chỉ nằm trong khoảng 500÷3000 Oe tức là vật liệu ghi từ nằm ở thang thấp nhất của vật liệu từ cứng Vật liệu ghi từ bắt buộc phải có độ từ dư (cảm ứng từ dư B r)... của lực kháng từ lớn trong các vật liệu từ cứng chủ yếu liên quan đến đến dị hướng từ tinh thể lớn trong vật liệu Các vật liệu từ cứng thường có cấu trúc tinh thể có tính đối xứng kém hơn so với các vật liệu từ mềm và chúng có dị hướng từ tinh thể rất lớn, nghĩa là có tính bất đối xứng rất cao về mặt tinh thể học (như các kiểu cấu trúc tinh thể lục giác, tứ giác ) và thường là các vật liệu có dị hướng... dễ từ hoá) Vì vậy, muốn bão hoà một vật liệu từ mềm, ta chỉ cần một từ trường cỡ vài trăm Oe hay cùng lắm đến vài ngàn Oe nhưng để bão hoà một vật liệu từ cứng, ta cần từ trường cỡ vài chục đến vài trăm ngàn Oe Để tạo ra vật liệu từ cứng tốt, người ta thường tạo ra nó gồm các hạt có cấu trúc đơn đômen, tức là mỗi hạt chỉ là một đômen từ tính, và cơ chế đảo từ sẽ là cơ chế quay kết hợp các mômen từ. .. rom -25 Vật liệu từ và ứng dụng PHẦN 2: VẬT LIỆU TỪ MÊM FERIT SPINEN VÀ VẬT LIỆU TỪ CỨNG FERIT LỤC GIÁC 2.1 Vật liệu từ mềm Ferit spinen 2.1.1 Cấu trúc tinh thể của ferit spinen Ferit spinel được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp và đời sống Công thức hóa học ferit spinel đơn giản (không chứa... khử từ Một thông số quan trọng khác được quan tâm của vật liệu từ cứng là tích năng lượng từ cực đại (Maximum Energy Product), đó là năng lượng cực đại có khả năng tích trữ trong một đơn vị thể tích vật từ Khi vật liệu từ cứng đặt trong từ trong từ trường ngoài đã tự nạp năng lượng và tàng trữ phần lớn năng lượng đó khi lấy từ trường ngoài đi Năng lượng này được giải phóng nếu vật liệu chịu tác dụng. .. dòng Foucault Chú ý khi sử dụng vật liệu từ mềm ở tần số càng cao thì phẩm chất của vật liệu càng bị suy giảm, do đó sự thay đổi của phẩm chất theo tần số là một thông số rất đáng quan tâm Ngoài ra, việc khử từ giảo (từ giảo là sự thay đổi hình dạng vật liệu từ dưới tác dụng của từ trường ngoài) giúp cho việc tạo ra tính từ mềm tốt Có những vật liệu có từ giảo bằng 0 như vật liệu vô định hình nền Co .. .Vật liệu từ ứng dụng CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BA LOẠI VẬT LIỆU TỪ 1.1 Các ứng dụng vật liệu từ cứng từ mềm 1.1.1 Ứng dụng vật liệu từ cứng... Cách xác định tích lượng từ cực đại đường cong từ trễ vật liệu từ cứng Bảng1.1 Bảng so sánh yêu cầu tính chất từ vật liệu từ cứng vật liệu từ mềm Vật liệu từ cứng Vật liệu từ mềm (Hard magnetic... thuộc vào chất vật liệu Hình 1.7 Đường cong từ trễ vật liệu từ mềm thông số đặc trưng đường trễ Từ độ bão hoà BS vật liệu từ mềm thường lớn, vật liệu từ cứng thường có từ độ bão hòa nhỏ Cảm ứng từ