Đang tải... (xem toàn văn)
Vật liệu từ đã được phát hiện cách đây hàng nghìn năm. Với những tính chất lý thú và kỳ lạ của nó, cho đến nay, vật liệu từ vẫn là đối tượng được con người quan tâm tìm hiểu, nghiên cứu và đưa vào ứng dụng. Có thể dễ dàng nhận thấy các linh kiện từ tính được sử dụng trong các thiết bị, dụng cụ quanh ta như: máy ghi âm, tivi, tủ lạnh, quạt máy, mô tô – xe máy, các bộ phận nhớ trong máy tính điện tử, điện thoại, đồ chơi trẻ em… Vật liệu từ không thể thiếu được trong các ngành công nghiệp điện (tạo điện năng, chuyển tải điện, điều khiển tự động,…), công nghiệp thông tin liên lạc, công nghiệp chế tạo ôtô, tầu thủy,… Với góc độ khoa khọc thuần túy, hiện tượng từ hiện diện từ thế giới vi mô (nguyên tử, phân tử) đến thế giới vĩ mô (các thiên hà xa xôi). Ta cũng không quên là, trái đất là một nam châm khổng lồ. Từ trường trái đất tác dụng lên mọi sinh vật, động vật và vật chất tồn tại trên nó. Cho đến nay, các nhà khoa học đã lý giải được nhiều hiện tượng từ trên cơ sở lý thuyết cơ học lượng tử và các lý thuyết có tính chất hiện tượng luận và bán thực nghiệm; các nhà công nghệ đã chế tạo được nhiều loại vật liệu từ, kể cả vật liệu từ có kích thước nanomet với tính năng cao hơn, kích thước nhỏ gọn hơn, thân thiện với môi trường hơn so với các “thế hệ” vật liệu từ trước để đáp ứng đòi hỏi của phát triển kỹ thuật. Tài liệu này sẽ làm rõ vấn đề đó
Đề tài : Tìm hiểu vể vật liệu từ Lớp Đ7LT Điện Cơng Nghiệp I Nhóm LỜI NĨI ĐẦU Vật liệu từ phát cách hàng nghìn năm Với tính chất lý thú kỳ lạ nó, nay, vật liệu từ đối tượng người quan tâm tìm hiểu, nghiên cứu đưa vào ứng dụng Có thể dễ dàng nhận thấy linh kiện từ tính sử dụng thiết bị, dụng cụ quanh ta như: máy ghi âm, tivi, tủ lạnh, quạt máy, mô tô – xe máy, phận nhớ máy tính điện tử, điện thoại, đồ chơi trẻ em… Vật liệu từ thiếu ngành công nghiệp điện (tạo điện năng, chuyển tải điện, điều khiển tự động,…), công nghiệp thông tin liên lạc, công nghiệp chế tạo ơtơ, tầu thủy, … Với góc độ khoa khọc túy, tượng từ diện từ giới vi mô (nguyên tử, phân tử) đến giới vĩ mô (các thiên hà xa xôi) Ta không quên là, trái đất nam châm khổng lồ Từ trường trái đất tác dụng lên sinh vật, động vật vật chất tồn Cho đến nay, nhà khoa học lý giải nhiều tượng từ sở lý thuyết học lượng tử lý thuyết có tính chất tượng luận bán thực nghiệm; nhà công nghệ chế tạo nhiều loại vật liệu từ, kể vật liệu từ có kích thước nanomet với tính cao hơn, kích thước nhỏ gọn hơn, thân thiện với môi trường so với “thế hệ” vật liệu từ trước để đáp ứng đòi hỏi phát triển kỹ thuật Vì lẽ trên, Nhóm tiến hành nghiên cứu tìm hiểu đề tài “ Các loại vật liệu từ “ Đề tài : Tìm hiểu vể vật liệu từ Lớp Đ7LT Điện Cơng Nghiệp I Nhóm Chương I FINEMET FINEMET tên loại vật liệu từ mềm thương phẩm có cấu trúc nanơ dựa hợp kim sắt có cơng thức Fe73,5Si13,5B9Nb3Cu1 (tỉ lệ phần trăm nguyên tử) Finemet vật liệu từ mềm tốt Hiện nay, Finemet thương phẩm từ mềm giữ quyền Hitachi Metals (Nhật Bản) Metglas (Mỹ) Tên FINEMET từ ghép Fine metal, cấu trúc FINEMET có chứa hạt kim loại siêu mịn kích thước nano I Cấu trúc tính chất FINEMET Hình 1: Ứng dụng Finemet FINEMET lần chế tạo cơng bố nhóm nghiên cứu Y Yoshizawa, S Oguma, K Yamauchi (Phịng thí nghiệm Nghiên cứu vật liệu từ điện tử, Hitachi Metals, Nhật Bản) vào năm 1988 Theo báo này, Finemet rút từ hệ vật liệu sắt có cơng thức chung Fe74,5-xSi13,5B9Nb3Cux với x thay đổi từ đến 1,5% tỉ phần nguyên tử, thành phần cho tính chất tốt với x = 1,0 phát triển mạnh trở thành thương phẩm gọi tên FINEMET Và FINEMET trở thành vật liệu với tính từ mềm tuyệt vời với nhiều đặc tính lý thú mặt công nghệ ứng dụng Đề tài : Tìm hiểu vể vật liệu từ Lớp Đ7LT Điện Cơng Nghiệp I Nhóm Cấu trúc chế tạo tính từ mềm FINMET hợp kim có cấu trúc nanomet với hạt sắt từ mềm bbc-Fe(Si) (hạt Fe(Si) có cấu trúc lập phương tâm khối) với tỉ phần khoảng 80% thể tích, 20% cịn lại ma trận vơ định hình bao quanh Tính chất hợp kim tạo từ tổ hợp tính chất hai pha tinh thể vơ định hình Herzer người lý giải thành cơng chế tính chất từ mềm hợp kim này: Dị hướng từ hiệu dụng Trong hệ hạt sắt từ siêu mịn, dị hướng từ tinh thể khơng cịn mang giá trị vật liệu khối mà bị hiệu dụng hóa, tỉ lệ với lũy thừa bậc kích thước hạt: đó, lực kháng từ tỉ lệ thuận với bậc kích thước hạt: Với: K1 hệ số từ tinh thể bậc vật liệu khối, D kích thước hạt, Lex độ dài tương tác trao đổi Tương tự, hệ số từ thẩm tỉ lệ nghịch với bậc kích thước hạt Vì thế, với hạt mịn 10-20 nm, lực kháng từ trở nên nhỏ từ thẩm trở thành lớn Từ giảo Từ giảo FINEMET tạo nhờ tổ hợp từ giảo hai pha: hạt nano tinh thể bbcFe(Si) với từ giảo bão hịa âm pha vơ định hình với từ giảo bão hịa dương Ở tỉ phần hợp lý pha nano tinh thể (theo tính tốn từ 78-82%) bù trừ từ giảo, tạo từ giảo hồn tồn Tính chất FINEMET Hình Đề tài : Tìm hiểu vể vật liệu từ Lớp Đ7LT Điện Công Nghiệp I Nhóm Khi chế tạo, FINEMET dạng băng kim loại mỏng, độ dày từ 10 micromet đến vài chục micromet FINEMET vật liệu từ mềm có tính chất từ mềm hồn hảo, xếp vào nhóm vật liệu từ siêu mềm khắc phục nhược điểm vật liệu từ mềm truyền thống: Độ từ thẩm cực cao : Độ từ thẩm (tương đối) FINEMET đạt tới vài trăm ngàn lần (tốt nhất) số vật liệu từ mềm có độ từ thẩm cao Lực kháng từ nhỏ: Lực kháng từ FINEMET nhỏ, tới mức A/m (tức xấp xỉ 0,01 Oe), ngang với mức vật liệu có lực kháng từ nhỏ Permalloy Cảm ứng từ bão hòa cao khả hoạt động tần số cao Khác với vật liệu siêu mềm permalloy bên cạnh giá trị độ từ thẩm cao, lực kháng từ cực nhỏ cảm ứng từ lại thấp (dưới T) FINEMET lại có cảm ứng từ bão hòa lớn từ 1,2 T đến 1,5 T Không loại vật liệu từ mềm kim loại khác làm việc từ trường xoay chiều có tần số cao điện trở suất bé (kim loại) FINEMET lại có điện trở suất lớn (do phát triển từ cấu trúc vơ định hình) nên có khả làm việc từ trường xoay chiều có tần số cao (từ cỡ kHz đến MHz) tổn hao trễ tổn hao xốy cực nhỏ Đặc trưng tần số có FINEMET coi tương đương với vật liệu gốm ferrite chuyên dùng cho cao tần (nhưng phẩm chất ferrite khơng tốt) Hình dạng đường trễ dễ thay đổi đặc tính học tốt Đường cong từ trễ FINEMET dễ dàng thay đổi nhờ việc ủ từ trường Ngồi ra, FINEMET có khả chống ăn mòn (mài mòn học hóa học) cao, đồng thời dẻo dai Trong cơng nghiệp, FINMET chế tạo dạng băng kim mỏng dẻo, cuộn thành cuộn dài tới vài chục m rộng từ vài chục cm đến m Hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ Gần đây, người ta thu hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ (sự thay đổi tổng trở độ từ thẩm ngang) băng từ Finemet đạt tới vài trăm % Tính chất hữu hiệu việc tạo sensor đo từ trường siêu nhạy II Kỹ thuật chế tạo cải tiến từ FINEMET Kỹ thuật chế tạo Phương pháp thông dụng để chế tạo FINEMET kỹ thuật nguội nhanh Công nghệ nguội nhanh sử dụng để tạo băng hợp kim vơ định hình mỏng Cấu trúc nano tạo nhờ việc ủ nhiệt thích hợp mơi trường chân khơng mơi trường có sử dụng khí trơ để bảo vệ hợp kim khỏi bị ơxy hóa Q trình ủ (thường sử dụng nhiệt độ từ 500oC đến 600oC với thời gian kéo dài từ 30 phút đến giờ) giúp cho việc tái kết tinh hợp kim vơ định hình để tạo hạt nano có cấu trúc tinh thể Q trình ủ dẫn đến việc hợp kim bị già hóa độ dẻo dai bị suy giảm Ngoài ra, người ta tạo trực tiếp cấu trúc nano từ trình nguội nhanh cách giảm tốc độ làm nguội tạo trình kết tinh làm nguội Tuy nhiên, kỹ thuật thường khó điều khiển giảm độ đồng cấu trúc Đề tài : Tìm hiểu vể vật liệu từ Lớp Đ7LT Điện Cơng Nghiệp I Nhóm 2 Các sản phẩm cải tiến từ FINEMET FINEMET hợp kim từ mềm sử dụng cấu trúc nano vơ định hình nhanh chóng thương mại hóa nhờ phẩm chất tuyệt vời Từ xuất FINEMET, người ta cải tiến thành phần để tạo nhiều loại hợp kim từ mềm có cấu trúc nano với nhiều tính chất đặc biệt hơn: NANOPERM Là hợp kim với thành phần Fe-M-B với thành phần Fe lên tới 64% nguyên tử, M Zr-Cu, Hf-Cu , lần xuất vào năm 1998 theo cơng bố nhóm A Makino (Nhật Bản) NANOPERM có cảm ứng từ đặc biệt cao (vượt 1,5 T), có độ từ thẩm lớn (từ PERM tên NANOPERM liên quan đến độ từ thẩm cao - PERMEABILITY) có độ bền học cao FINEMET HITPERM Là hợp kim tương tự NANOPERM, sử dụng nửa Co thay cho Fe nhờ nâng cao nhiệt độ Curie lên lớn Cái tên HITPERM có nghĩa hợp kim có nhiệt độ Curie cao (trên 1000oC) Thành phần thương mại ban đầu HITPERM (Fe,Co)88Zr7B4Cu1, lần tạo nhóm nghiên cứu M A Willard (Carnegie Mellon University, Hoa Kỳ) HITPERM có cấu tạo hạt nano pha α-FeCo, nên có nhiệt độ Curie cao cảm ứng từ bão hòa đặc biệt lớn (vượt T) nên sử dụng lõi dẫn từ động phản lực - nơi đòi hỏi nhiệt độ làm việc cao III Hợp kim Heusler Hợp kim Heusler hợp kim sắt từ dựa pha Heusler, dạng hợp kim liên kim loại đơn chất (kim loại, phi kim) khơng mang tính sắt từ, có cấu trúc tinh thể lập phương tâm mặt Tên loại hợp kim đặt theo nhà hóa học, khống học người Đức Friedrich Heusler (1866-1947), người lần tìm loại hợp kim vào năm 1903 Hợp kim Heusler loại hợp kim sắt từ có độ phân cực spin lớn (gần 100%).Một số hợp kim: Cu2MnAl, Cu2MnIn, Cu2MnSn, Ni2MnAl, Ni2MnIn, Ni2MnSn, Ni2MnSb Co2MnAl, Co2MnSi, Co2MnGa, Co2MnGe Pd2MnAl, Pd2MnIn, Pd2MnSn, Pd2MnSb Đề tài : Tìm hiểu vể vật liệu từ Lớp Đ7LT Điện Công Nghiệp I Nhóm Chương II MAGNETIT Magnetit khống vật sắt từ có cơng thức hóa học Fe3O4, ơxít sắt thuộc nhóm spinel Tên theo IUPAC sắt (II,III) ơxít thường viết FeO·Fe2O3, xem tập hợp wustit (FeO) hematit (Fe2O3) Công thức đề cập đến trạng thái ôxi hóa khác sắt cấu trúc dung dịch rắn Nhiệt độ Curie magnetit 858 K I Tính chất Magnetit khống vật có từ tính mạnh khoáng vật xuất thiên nhiên Các mảnh magnetit bị từ hóa tự nhiên gọi lodestone hút mẫu sắt nhỏ, cách mà người cổ đại khám phá tính chất từ Lodestone sử dụng la bàn Magnetit thường mang dấu hiệu từ đá xem cơng cụ để nghiên cứu cổ từ, khám phá khoa học quan trọng để hiểu trình kiến tạo mảng liệu lịch sử cho từ thủy động lực học chuyên ngành khoa học khác Các mối quan hệ magnetit khống vật ơxít giàu sắt khác ilmenit, hematit, ulvospinel nghiên cứu nhiều, phản ứng phức tạp khoáng vật oxy ảnh hưởng đến bảo tồn trường từ Trái Đất Magnetit có vai trị quan trọng việc tìm hiểu điều kiện mơi trường hình thành đá Magnetit phản ứng với oxy để tạo hematit, cặp khống vật hình thành vùng đệm khống chế phá hủy ôxy Các đá mácma thông thường chứa hạt dung dịch rắn, bên magnetit ulvospinel bên ilmenit hematit Các thành phần cặp đơi khống vật sử dụng để tính ôxy hóa diễn macma (như phá hủy oxy magma): dãi điều kiện oxi hóa tìm thấy mácma trạng thái oxy hóa giúp xác định làm máma liên quan đến kết tinh phân đoạn Các hạt magnetit nhỏ có mặt hầu đết đá mácma đá biến chất Magnetit tìm thấy số loại đá trầm tích thành hệ sắt phân dải Trong số đá mácma, hạt giàu magnetit ilmenit xuất dạng kết tủa mácma Magnetit sản xuất từ peridotit dunit phương pháp serpentin hóa Magnetit nguồn quặng sắt có giá trị, hịa tan chậm axít clohiđric II Phân bố Đề tài : Tìm hiểu vể vật liệu từ Lớp Đ7LT Điện Cơng Nghiệp I Nhóm Magnetit đơi tìm thấy với số lượng lớn cát biển Các loại cát đen (cát khoáng vật cát sắt) tìm thấy nhiều nơi California bờ biển tây New Zealand Magnetit mang đến bãi biển thông qua sông mang vật liệu xói mịn chúng tập trung nhờ tác động sóng dịng chảy Các mỏ lớn tìm thấy thành hệ sắt dải Các đá trầm tích dùng để suy hàm lượng oxy khí Trái Đất lúc lắng đọng Các mỏ magnetit lớn tìm thấy vùng Atacama Chile, Kiruna, Thụy Điển, Pilbara, khu vực trung tây bắc Goldfields tây Úc, khu vực Adirondack New York Hoa Kỳ Các mỏ tìm thấy Na Uy, Đức, Ý, Switzerland, Nam Phi, Ấn Độ, Mexico, Oregon, New Jersey, Pennsylvania, Bắc Carolina, Virginia, New Mexico, Utah, Colorado Hoa Kỳ Gần đây, vào tháng năm 2005, cơng ty khai thác khống sản, Cardero Resources, phát mỏ cát chứa magnetit lớn dạng cồn cát Peru Mỏ phủ diện tích 250 km2(100 sq mi), với cồn cán cao nằm độ cao 2.000 m (6,560 ft) so với sa mạc Cát chứa 10% magnetit III Ứng dụng Làm chất hấp thụ Bột magnetit loại bỏ As(III) As(V) khỏi nước hiệu quả, hiệu loại bỏ tăng lên ~200 lần chúng có kích thước từ 300 đến 12 nm Nước uống nhiễm arsen (As) vấn nạn toàn giới, ứng dụng magnetit với vai trị chất hấp thụ giải pháp loại bỏ arsen nước Trang sức Magnetit dùng phổ biến dạng nguyên liệu thô đồ trang sức chống lại giả khoa học nam châm liệu pháp Khi đánh bóng làm thành đồ trang sức, magnetit có màu tối, sáng bóng với bề mặt láng Đề tài : Tìm hiểu vể vật liệu từ Lớp Đ7LT Điện Công Nghiệp I Nhóm Chương III NAM CHÂM NEODYMI Nam châm Neodymi hay nam châm Neodymi-Sắt-Bo, đơi cịn viết tắt NdFeB loại nam châm đất tạo từ hợp chất Neodymi (Nd) - Sắt (Fe) Bo (B), với công thức phân tử Nd2Fe14B Nam châm Neodymi General Motors Corporation (Mỹ) Sumitomo Special Metals (Nhật Bản) đồng thời phát minh năm 1982 loại nam châm vĩnh cửu mạnh biết I Cấu trúc tính chất Hình 5: Cấu tạo nam châm Neodymi Nd2Fe14B hợp chất thuộc nhóm 2:14:1, có cấu trúc tinh thể tứ giác với số mạng a = 0,882 nm c = 1,224 nm; thuộc nhóm khơng gian P42/mm, khối lượng riêng 7,55 g/ cm Ô đơn vị tinh thể Nd2Fe14B chứa 68 nguyên tử nằm ô đơn vị: với nguyên tử Fe nằm vị trí khác mặt tinh thể, hai vị trí chứa nguyên tử Nd vị trí cho B Cấu trúc tinh thể với độ bất đối xứng cao tạo tính từ cứng mạnh vật liệu Nd2Fe14B có dị hướng từ tinh thể K1 = 4,9.106 J/m3, từ độ bão hòa μ0Ms = 1,61 T (tương ứng với mômen từ 37,6 μB, trường dị hướng HA = 15 T) nhiệt độ Curie TC = 585 K (312oC) , Các thông số cấu trúc tính chất nội cho phép tạo tích lượng từ cực đại (B.H)max lớn tới 64 MGOe , Hiện nay, người ta tạo nam châm Nd 2Fe14B có tích lượng từ cực đại lên tới 57 MGOe Nam châm NdFeB loại nam châm vĩnh cửu cực mạnh, có khả cho từ dư bề mặt lên tới 1,3 T, có có nhược điểm có tính ơxy hóa cao (do hoạt tính Nd), nhiệt độ hoạt động thấp giá thành đắt (do chứa nhiều đất hiếm) Bảng so sánh từ tính nam châm NdFeB với loại khác II Kỹ thuật chế tạo Đề tài : Tìm hiểu vể vật liệu từ Lớp Đ7LT Điện Cơng Nghiệp I Nhóm Hình : Nam châm Neodymi sử dụng đĩa cứng máy tính Phương pháp phổ biến để chế tạo nam châm Neodymi kỹ thuật luyện kim bột thiêu kết Ban đầu hợp kim NdFeB tạo cách nấu chảy đơn chất thành phần lị cao (thơng thường Nd B thường bù thêm vài % so với thành phần danh định chất dễ bị ơxy hóa bay hơi) Trong trình nấu chảy, hợp kim nấu mơi trường bảo vệ để tránh ơxy hóa Sau đó, hợp kim nghiền thành bột mịn, sau trộn với keo epoxy, ép thành hình sản phẩm, sau nung thiêu kết nhiệt độ cao mơi trường bảo vệ Q trình ép hỗ trợ từ trường để tạo dị hướng đơn trục Quá trình nung thiêu kết thực nhiệt độ cao môi trường bảo vệ để tạo pha hợp chất, sau hạ nhiệt độ thấp (1 vài trăm độ) để ổn định pha Sau đó, nam châm nạp từ từ trường cao phủ keo bảo vệ Có thể thay cơng đoạn thiêu kết kỹ thuật ép nóng Người ta ép bột từ trường nhiệt độ cao nhằm tạo pha định hướng nam châm (tạo nam châm dị hướng) Gần đây, người ta tiến hành tạo nam châm đất giá thành rẻ với kiểu nam châm kết dính Các bột hợp kim mịn tạo sau nghiền mảnh vụn hợp kim chế tạo công nghệ nguội nhanh, sau trộn keo epoxy ép định hướng từ trường Kỹ thuật có ưu điểm đơn giản kinh tế hơn, sản phẩm cho phẩm chất thấp nhiều so với nam châm thiêu kết III Ứng dụng, thông số vật lý khác Nam châm Neodymi sử dụng nguồn tạo từ trường mạnh, đóng vai trị nam châm vĩnh cửu: Sử dụng nhiều ổ cứng máy tính Trong động cơng suất lớn Chụp ảnh cộng hưởng từ Máy phát điện Đề tài : Tìm hiểu vể vật liệu từ Lớp Đ7LT Điện Cơng Nghiệp I Nhóm Chương IV NAM CHÂM SAMARIUM COBAN Nam châm samarium-côban (đôi viết gọn nam châm SmCo, gọi nam châm nhiệt độ cao) loại nam châm đất mạnh, dựa hợp chất hai kim loại samarium (Sm) cơban (Co), cộng với số nguyên tố phụ gia khác Đây loại nam châm đất mạnh, đứng thứ hai sau hệ nam châm Neodym độ mạnh, lại có khả hoạt động nhiệt độ siêu cao (trên 500oC) nhờ có nhiệt độ Curie cao Nam châm Samarium bắt đầu xuất thị trường vào năm 1966, loại nam châm tốt cho ứng dụng nhiệt độ cao ví dụ động phản lực, động điện công suất lớn Nam châm Samarium Côban chia làm hai họ: họ 1:5 2:17 I Cấu tạo Họ 1:5 Hình : Ơ ngun tố cấu trúc tinh thể hệ hợp chất SmCo5 Là loại nam châm dựa hợp chất SmCo5, với khoảng 36% khối lượng nguyên tố đất samarium (Sm) Nam châm lần phát minh Karl J Strnat (phịng thí nghiệm Vật liệu Khơng quân Hoa Kỳ) vào năm 1966, cho tích lượng từ cực đại (B.H)max = 18 MGOe , sau đó, hàng loại hợp chất từ cứng dựa cấu trúc phát triển thành họ vật liệu từ cứng RCo5 nghiên cứu mạnh mẽ ngành từ học Điểm khác biệt nam châm Samarium-Cơban so với nam châm đất khác (ví dụ nam châm Neodym) có nhiệt độ Curie cao, đồng thời suy giảm tính chất theo nhiệt độ thấp, sử dụng ứng dụng nhiệt độ cao (có thể tới 500oC) mà khơng loại nam châm khác hoạt động Một tham số quan tâm loại nam châm hệ số suy giảm từ dư theo nhiệt độ (reversible temperature coefficient, RTC), định nghĩa suy giảm từ dư, Br theo nhiệt độ: Đối với nam châm SmCo5 nguyên thủy, hệ số RTC âm, có nghĩa từ dư bị suy giảm theo nhiệt độ Tuy nhiên, gần đây, người ta có nhiều cải tiến bổ sung phụ gia, tạo pha phụ nam châm có hệ số RTC dương để bù trừ, tạo độ suy giảm 10 Đề tài : Tìm hiểu vể vật liệu từ Lớp Đ7LT Điện Cơng Nghiệp I Nhóm Chương VII PEROVSKIT Hình 9: Cấu trúc tinh thể họ perovskite ABO3 Perovskite tên gọi chung vật liệu gốm có cấu trúc tinh thể giống với cấu trúc vật liệu gốm canxi titanat (CaTiO3) Tên gọi perovskite đặt theo tên nhà khoáng vật học người Nga L A Perovski (1792-1856), người có cơng nghiên cứu phát vật liệu vùng núi Uran Nga vào năm 1839 I Cấu trúc chế tạo perovskite Cấu trúc perovskit Công thức phân tử chung hợp chất perovskite ABO3 với A B iơn (cation) có bán kính khác Ở vị trí iơn Ơxy, số nguyên tố khác, phổ biến ơxy Tùy theo ngun tố vị trí B mà phân thành nhiều họ khác nhau, ví dụ họ manganite B = Mn, họ titanat B = Ti hay họ cobaltit B = Co Thơng thường, bán kính iơn A lớn so với B Cấu trúc perovskite thường biến thể từ cấu trúc lập phương với cation A nằm đỉnh hình lập phương, có tâm cation B Cation tâm bát diện tạo anion O Cấu trúc tinh thể thay đổi từ lập phương sang dạng khác trực giao hay trực thoi iôn A hay B bị thay nguyên tố khác mà hình thức giống việc mạng tinh thể bị bóp méo đi, gọi méo mạng Jahn-Teller 16 Đề tài : Tìm hiểu vể vật liệu từ Lớp Đ7LT Điện Cơng Nghiệp I Nhóm 2 Kỹ thuật chế tạo Do perovskite vật liệu gốm nên chế tạo perovskite phổ biến kỹ thuật gốm, hay gọi kỹ thuật phản ứng pha rắn Các nguyên liệu ban đầu ôxit kim loại nghiền trộn thời gian dài để tạo đồng nhất, sau ép thành viên nung thiêu kết nhiệt độ cao để tạo phản ứng perovskite hóa (phản ứng pha rắn) Phương pháp có ưu điểm rẻ tiền, đơn giản, dễ dàng tạo vật liệu với khối lượng lớn Ngồi ra, perovskite chế tạo phương pháp phản ứng hóa học khác ví dụ phương pháp sol-gel, phương pháp đồng kết tủa, với ưu điểm cho vật liệu có chất lượng cao lại hạn chế khả tạo vật liệu với khối lượng lớn II Tính chất ứng dụng Ở cấu trúc sơ khai ban đầu (ở vị trí A B có ngun tố) perovskite mang tính chất điện mơi phản sắt từ Sự lý thú tính chất perovskite tạo nhiều tính chất vật liệu nhiệt độ khác Tính chất điện Có nhiều perovskite chất sắt điện thể tính chất nhiệt điện trở lớn Nhờ pha tạp, tính chất dẫn điện perovskite thay đổi từ tính chất điện mơi sang tính dẫn kiểu bán dẫn, chí mang tính dẫn kiểu kim loại, tính chất điện đặc biệt trật tự điện tích, trạng thái mà hạt tải dẫn bị lập iơn từ tính , Ngồi ra, nhiều perovskite mang tính chất siêu dẫn nhiệt độ cao Tính chất từ Thơng thường, perovskite mang tính chất phản sắt từ tính chất bị biến đổi thành sắt từ nhờ pha tạp nguyên tố khác Sự pha tạp nguyên tố dẫn đến việc tạo iơn mang hóa trị khác vị trí B, tạo chế tương tác trao đổi gián tiếp sinh tính sắt từ Điều đặc biệt tính chất từ thay đổi nhiều trạng thái khác vật liệu Khi trạng thái sắt từ, perovskite tồn hiệu ứng từ điện trở siêu khổng lồ , hiệu ứng từ nhiệt khổng lồ trạng thái thủy tinh - spin nhiệt độ thấp, trạng thái mà spin bị tồn trạng thái hỗn độn bị đóng băng q trình làm lạnh Ứng dụng Do có nhiều đặc tính điện - từ - hóa khác nên perovskite có mặt nhiều ứng dụng coi vật liệu lý thú Nhà vật lý người Ấn Độ C N R Rao phát biểu perovskite trái tim vật lý chất rắn Với tính chất từ điện trở siêu khổng lồ, perovskite hứa hẹn cho linh kiện spintronics cảm biến từ siêu nhạy Với nhiều tính chất đặc biệt siêu dẫn nhiệt độ cao, sắt điện perovskite hữu ích cho nhiều linh kiện điện tử Ngoài ra, perovskite với tính chất hấp phụ xúc tác cịn sử dụng pin nhiên liệu 17 Đề tài : Tìm hiểu vể vật liệu từ Lớp Đ7LT Điện Cơng Nghiệp I Nhóm Chương VIII SẮT TỪ Sắt từ chất có từ tính mạnh, hay khả hưởng ứng mạnh tác dụng từ trường ngoài, mà tiêu biểu sắt (Fe), tên gọi "sắt từ" đặt cho nhóm chất có tính chất từ giống với sắt Các chất sắt từ có hành vi gần giống với chất thuận từ đặc điểm hưởng ứng thuận theo từ trường ngồi Tính sắt từ dùng để thuộc tính (từ tính mạnh) chất sắt từ Chất sắt từ vật liệu sử dụng sớm lịch sử loài người, với việc sử dụng đá nam châm làm la bàn làm vật dụng hút sắt thép (thực chất quặng Fe3O4) từ 2000 năm trước (mà xuất phát từ Trung Hoa Hy Lạp cổ đại) I Các tính chất đặc trưng chất sắt từ Hình 10: Đường cong từ trễ - Đặc trưng quan trọng chất sắt từ Các chất sắt từ (ví dụ sắt (Fe), côban (Co), niken (Ni), gađôli (Gd) chất sắt từ điển hình Các chất chất vốn có mơmen từ ngun tử lớn (ví dụ sắt 2,2 μ B, Gd μB ) nhờ tương tác trao đổi mômen từ này, mà chúng định hướng song song với theo vùng (gọi đơmen từ tính Mơmen từ vùng gọi từ độ tự phát - có nghĩa chất sắt từ có từ tính nội khơng có từ trường Đây nguồn gốc tạo nên tính chất chất 18 Đề tài : Tìm hiểu vể vật liệu từ Lớp Đ7LT Điện Cơng Nghiệp I Nhóm sắt từ: Hiện tượng từ trễ: Là đặc trưng dễ thấy chất sắt từ Khi từ hóa khối chất sắt từ mơmen từ có xu hướng xếp trật tự theo hướng từ trường ngồi từ độ mẫu tăng dần đến độ bão hòa từ trường đủ lớn (khi mơmen từ hoàn toàn song song với nhau) Khi ngắt từ trường khử từ theo chiều ngược, liên kết mômen từ đômen từ, mômen từ không bị quay trở lại trạng thái hỗn độn chất thuận từ mà giữ từ độ giá trị khác khơng Có nghĩa đường cong đảo từ không khớp với đường cong từ hóa ban đầu, ta từ hóa khử từ theo chu trình kín từ trường ngồi, ta có đường cong kín gọi đường cong từ trễ Có nhiều chế khác để tạo tượng trễ chế dịch chuyển vách, chế quay mômen từ, chế hãm phát triển mầm đảo từ Và đường cong từ trễ, ta có đại lượng đặc trưng chất sắt từ sau: o Từ độ bão hòa: Là từ độ đạt trạng thái bão hịa từ, có nghĩa tất mômen từ chất sắt từ song song với o Từ dư: Là giá trị từ độ từ trường khử o Lực kháng từ: Là từ trường ngồi cần thiết để khử mơmen từ mẫu 0, giá trị để từ độ đổi chiều Đơi lực kháng từ cịn gọi trường đảo từ o Từ thẩm: Là tham số đặc trưng cho khả phản ứng chất từ tính tác dụng từ trường ngồi Từ thẩm chất sắt từ có giá trị lớn nhiều, phụ thuộc vào từ trường (xem thêm Vật liệu từ mềm) Nhiệt độ Curie: Là nhiệt độ mà đó, chất bị từ tính Ở nhiệt độ Curie, chất trạng thái sắt từ, nhiệt độ Curie, chất mang tính chất chất thuận từ Nhiệt độ Curie tham số đặc trưng cho chất sắt từ, ví dụ như: o Sắt: 1043 K o Côban: 1388 K o Niken: 627 K o Gađôli: 292,5 K o Dysproxium (Dy): 88 K o MnBi: 630 K o MnSb: 587 K Dị hướng từ tinh thể: Là lượng liên quan đến định hướng mômen từ đối xứng tinh thể vật liệu Do tính dị hướng cấu trúc tinh thể, có khác khả từ hóa ta từ hóa theo phương khác nhau, dẫn đến việc vật liệu có phương dễ từ hóa, gọi trục dễ (từ hóa) phương khó từ hóa (gọi trục khó) Năng lượng dị hướng từ tinh thể lượng cần thiết để quay mơmen từ trục khó sang trục dễ Hằng số dị hướng từ tinh thể đại lượng đặc trưng cho chất sắt từ II Các 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 có nhóm vật liệu sắt từ chính: 19 Đề tài : Tìm hiểu vể vật liệu từ Lớp Đ7LT Điện Cơng Nghiệp I Nhóm Vật liệu từ cứng: Là vật liệu sắt từ khó từ hóa khó khử từ thường dùng cho ứng dụng lưu trữ từ trường nam châm vĩnh cửu, vật liệu ghi từ Các vật liệu từ cứng điển hình Nd2Fe14B, Sm2Co5, FePt (xem Vật liệu từ cứng) Vật liệu từ mềm: Là vật liệu sắt từ dễ từ hóa dễ bị khử từ, thường dùng cho ứng dụng hoạt động từ trường lõi biến thế, nam châm điện, lõi dẫn từ, cảm biến từ trường Các vật liệu từ mềm điển hình sắt silic (FeSi), hợp kim permalloy NiFe (xem Vật liệu từ mềm) III.Ứng dụng vật liệu sắt từ Có thể nói vật liệu sắt từ nghiên cứu ứng dụng rộng rãi khoa học, công nghiệp đời sống, từ nam châm vĩnh cửu, đến lõi biến thế, hay cao ổ cứng máy tính, đầu đọc ổ cứng Một hiệu ứng khác chất sắt từ hiệu ứng từ nhiệt khổng lồ nghiên cứu phát triển hệ máy lạnh hoạt động từ trường thay cho máy lạnh truyền thống với ưu điểm không ô nhiễm, tiết kiệm lượng nhỏ gọn Các hiệu ứng từ điện trở chất sắt từ khai thác để đời linh kiện điện tử hệ gọi spintronic, tức linh kiện hoạt động cách điều khiển spin điện tử 20 ... lượng vật lý = M/H gọi độ cảm từ vật liệu Tùy theo cách mà vật liệu hưởng ứng từ trường mà người ta chia thành vật liệu thuận từ, nghịch từ, sắt từ, ferri từ phản sắt từ Vật liệu thuận từ vật liệu. .. sắt từ II Các 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 có nhóm vật liệu sắt từ chính:... 10-6; vật liệu thuận từ có nhỏ âm, cỡ -10-6; vật liệu sắt từ, ferri từ, phản sắt từ vật liệu có lớn dương, giá trị lớn vật liệu thuận từ hàng vạn lần Ta qui định, vật liệu từ tính vật liệu sắt từ,
