Transcript BÀI GIẢNG VỀ VẬT LIỆU TỪ CẤU TRÚC NANÔ PGS TS Trần Hoàng Hải.

BÀI GIẢNG VỀ VẬT LIỆU TỪ
CẤU TRÚC NANÔ
PGS TS Trần Hoàng Hải
1
Địa chỉ bạn đã tải:
http://mientayvn.com/Cao%20hoc%20quang%20dien%20tu/Semina%20tren%20lop/seminar.html
Nơi bạn có thể thảo luận:
http://myyagy.com/mientay/
Dịch tài liệu trực tuyến miễn phí:
http://mientayvn.com/dich_tieng_anh_chuyen_nghanh.html
Dự án dịch học liệu mở:
http://mientayvn.com/OCW/MIT/Co.html
Liên hệ với người quản lí trang web:
Yahoo: [email protected]
Gmail: [email protected]
Phần I.
VẬT LIỆU TỪ VÀ ỨNG DỤNG
4
Chương 1. Những khái niệm cơ bản về vật liệu từ
1. Lịch sử của từ học
1600. Dr, William Gilbert - những thí nghiệm đầu tiên về từ
học:” De Magnete”.
1819. Oerstead - sự gắn liền giữa từ học và điện học.
1825. Sturgeon đã phát minh ra nam châm điện.
1880. Warburg đã vẽ ra chu trình trễ đầu tiên của sắt.
1895. Định luật Curie đã được đề xuất
1905. Langevin lần đầu tiên đã giải thích tính chất của nghịch
từ và thuận từ.
1906. Weiss đã đưa ra lý thuyết sắt từ.
Những năm 1920. Vật lý của từ học đã được phát trỉển với các
lý thuyết liên quan đến spin electron và tương tác trao đổi;
những sự bắt đầu của cơ học lượng tử.
5
Hình 1a. Sự phát triển của nam châm vĩnh cửu trong thế kỷ thứ 20.
6
Hình 1b. Lodestone, ferít khối và nam châm hợpkim NdFeB
với cùng năng lượng từ như nhau
7
Lodestone ( đá nam châm):
Đây là nam châm vĩnh cửu đầu tiên được ghi
nhận; một ôxyt Fe3O4 hiếm có trong tự nhiên. Từ
trường còn thấp,song trường khử từ là khá cao.
Thép carbon từ:
Chúng được phát triển vào thế kỹ 18. Các thép
này là hợp kim vớI tungsten và / hoặc crom để tạo
ra carbide kết tủa trong việc xử lý nhiệt thích hợp,
là hệ quả trong việc làm cản trở sự dịch chuyển
vách đômen. Các nam châm loại này có bão hòa
từ cao, hơn nhiều so với lodestone, song chúng
dễ bị khử từ, nên cần phải sử dụng hình dạng dài
để làm cực tiểu các trường khử từ.
8
Nam châm Alnico: ( hợp kim trên cở sở của Al, Co, và Ni )
Nhóm nam châm này được phát triển trong những năm
1930, là nam châm vĩnh cửu hiện đại nhất đáng chú ý trong
từ cứng trong các thép từ có đến lúc đó. Các tính chất của
chúng dựa trên sự dị hướng từ hình dạng liên quan đến hai
cấu trúc nanô pha bao gồm các hình kim Fe-Co có tính sắt
từ trong một ma trận của các Al-Ni không từ. Nhờ nhiệt độ
Curie cao của chúng, ~ 850 oC, chúng vẫn được sử dụng
cho đến hiện nay.
Các nam châm carbon-platinium:
Chúng đã được phát triển vào những năm 1950. Những tính
chất đã được cải thiện vượt trên hợp kim Alnico và tính
chống ăn mòn của chúng đã làm cho chúng được sử dụng
trong các ứng dụng y sinh học tại thời điểm đó. Song do giá
thành cao nên chưa được sử dụng rộng rãi và các nam
châm đất hiếm đã thay thế chúng.
9
Các nam châm ferít từ cứng: ( BaFe12O19 hoặc SrFe12O19 )
Chúng là các nam châm có tính thương mại quan trọng nhất trong vài
chục năm qua. Nhờ cấu trúc dị hướng , chúng đã có lực kháng từ
tương đối cao, song tích năng lượng lại thấp. Mặc dù vậy , chúng vẫn
có những ứng dụng rộng rãi vì sự phong phú của quặng nguyên liệu và
giá thành sản xuất thấp.. Chúng cũng phù hợp cho việc sử dụng trong
việc tạo các hình dạng phức tạp. Chúng vẫn giữ là loại vật liệu thông
dụng nhất hiện nay trong các ứng dụng với khối lượng lớn.
Samari Cobalt:
Được phát triển vào cuối những năm 1960, nhóm này bao gồm tổ hợp
hợp kim cobalt, sắt và một ít nguyên tố đất hiếm; Chúng không chỉ biểu
hiện bản chất từ cứng năng lượng cao , mà SmCo5 còn thể hiện tính
thương mại tương đối cao. Chúng đã giữ kỷ lục về tích năng lượng cao
nhất trong nhiều năm, nhưng tiếc thay chúng có nhược điểm về giá
thành. Các nam châm này có độ bền vững nhiệt tốt và vì vậy mà được sử
dụng ở những nơi làm việc ở nhiệt độ cao.
10
Các nam châm Neodym Sắt Bor:
Chúng được tạo ra đầu tiên vào năm 1984; chúng tổ hợp của
một độ từ hóa cao với tính chống khử từ tốt. Giá thành cao của
samari và sự bất ổn về giá của cobalt đã dẫn các nam châm loại
này trở thành sự chọn lựa trong các ứng dụng đòi hỏi các nam
châm có năng lượng cao. Mặc dù có năng lượng cao, các nam
châm này có nhiệt độ Curie tương đối thấp ( 312oC), điều này đã
giới hạn những ứng dụng của chúng ở vùng nhiệt độ cao. Việc
thêm Co và Dy sẽ cải thiện được các đặc trưng nhiệt độ nhưng
cũng làm tăng giá thành sản xuất. Song điều này vẫn không
ngăn cản việc sử dụng chúng ngày càng tăng trên thị trường,
đặc biệt trong các ứng dụng cần giảm kích thước .
Nitrid Samari Sắt:
Sự phát triển của các hợp kim này vẫn đang tiếp tục; chúng là
vật liệu mới đầy hứa hẹn cho các ứng dụng nam châm vĩnh cửu
nhờ sự chống khử từ cao, độ từ hóa cao và sự chống ăn mòn và
nhiệt độ Curie cao so với neodym sắt bor.
11
2. Nguồn gốc của từ tính.
Hầu hết mọi người đều biết vật liệu từ là gì, nhưng rất ít người biết
một nam châm họat động như thế nào?. Để hiểu được điều
này thì trước hết chúng ta hãy tìm hiểu mối tương quan giữa
hiện tượng từ và hiện tượng điện.
Một nam châm điện đơn giản có thể tạo ra bằng cách cuộn dây
đồng thành cuộn và nối cuộn dây với một accu. Một từ trường
được tạo ra bên trong cuộn dây , nhưng nó chỉ tồn tại khi dòng
điện vẫn còn chạy qua cuộn dây.
Một thanh nam châm thông thường không có một mối liên hệ rõ
ràng với dòng đĩện thì nó sẽ làm việc như thế nao? Trường
được tạo ra bởi nam châm được liên hệ với sự chuyển động và
các tương tác của các electron, các hạt tích điện âm, chuyển
động theo quỹ đạo hạt nhân của mỗi nguyên tử.
12
Hiện tượng điện là sự chuyển động của các electron ở trong một cuộn
dây hoặc trong một nguyên tử., như vậy mỗi nguyên tử biểu hiện như
một nam châm vĩnh cửu nhỏ xíu vốn có sẵn của nó. Electron dang
quay tròn tạo ra một mômen từ quỹ đaợ của riêng nó , được đo bằng
magneton Bohr ( B), và cũng có một mômen từ spin tương ứng với nó
do electron tự quay , giống như trái đất quay trên trục của bản thân
nó.( được minh họa trên hình 2). Trong hầu hết các vật liệu đều có
mômen từ tổng cộng, nhờ các electron tạo thành nhóm từng cặp, gây ra
mômen từ bị trượt tiêu bởi lân cận của nó.
Trong các vật liệu từ nào đó, các mômen từ với một tỷ lệ lớn của các
electron đã được sắp xếp, khi tạo ra một từ trường đồng nhất. Trường
được tạo ra trong vật liệu ( hoặc bằng một nam chân điện) có một
hướng chảy và nam châm bất kỳ nào đều thể hiện một lực để cố gắng
sắp xếp nó theo từ trường ngoài, giống như cái kim la bàn. Các lực này
được sử dụng để điều khiển môtơ điện, tạo âm thanh trong một hệ loa,
kiểm sóat cuộn tiếng trong CD player, v.v...Các tương tác giữa từ và
điện, vì vậy là một khía cạnh thiết yếu của nhiều thiết bị mà chúng ta sử
dụng hàng ngày.
13
Hình 2. Quỹ đạo của một electron đang quay xung quanh hạt
nhân của nguyên tử.
14
3. Các đơn vị từ và thuật ngữ
Bảng 1. Mối liên hệ giữa một vài thông số trong hai hệ đơn vị
15
- Độ từ hóa (M) của vật liệu: Mômen từ trên một đơn vị thể tích của
vật liệu.
- Độ từ hóa riêng (): Mômen từ trên một đơn vị khốI lượng.
-Cảm ứng từ (B) của vật liệu: Từ thông tổng cộng của từ trường đi
qua một đơn vị tiết diện cắt ngang của vật liệu,
B = 0 (H+M)
B = H + 4M
(1a).
(1b).
0 là độ từ thẩm của chân không ( 4 x 10 -7 Hm-1), là tỷ số
của B/H được đo trong chân không .
-Độ cảm từ của vật liệu:
-Độ từ thẩm:
- Độ phân cực từ: J = 0M
16
4. Phân loại các vật liệu từ
Hình 3.
Bảng tuần hoàn của các nguyên tố cho ta bản chất
từ của mỗi nguyên tố tại nhiệt độ phòng.
17
Electronic Structures of Atoms on the Periodic Table
1A
1
H
1s1
3
Li
1s2
2s1
11
Na
[Ne]
3s1
2A
4
Be
1s2
2s2
12
Mg
[Ne]
3s2
3A
5
B
1s2
2s22p1
13
Al
[Ne]
3s23p1
4A
6
C
1s2
2s22p2
14
Si
[Ne]
3s23p2
5A
7
N
1s2
2s22p3
15
P
[Ne]
3s23p3
6A
8
O
1s2
2s22p4
16
S
[Ne]
3s23p4
7A
8A
9
F
1s2
2s22p5
17
Cl
[Ne]
3s23p5
2
He
1s2
10
Ne
1s2
2s22p6
18
Ar
[Ne]
3s23p6
18
Chất nghịch từ
Trong một vật liệu nghịch từ , các nguyên tử không có mômen
từ riêng khi không có từ trường ngoài đặt vào. Dưới ảnh
hưởng của một từ trường ngoài (H) các electron đang quay sẽ
tiến động và chuyển động này , là một loại dòng điện, tạo ra
một độ từ hóa (M) trong hướng đối diện với phương của từ
trường ngoài. Tất cả vật liệu đều có hiệu ứng nghịch từ, song
thường trong trường hợp mà hiệu ứng nghịch từ bị bao phủ
bởi hiệu ứng thuận từ hay sắt từ lớn hơn. Giá trị của độ cảm từ
là độc lập với nhiệt độ.
19
Chất thuận từ.
C

T
20
Có vài lý thuyết về chất thuận từ , phù hợp cho các loại riêng của vật
liệu. Mô hình Langevin đúng cho các vật liệu với các electron định xứ
không tương tác với nhau , ở các trạng thái mà mỗi nguyên tử có một
mômen từ định hướng hỗn loạn do sự chuyển động nhiệt. Việc áp đặt
một từ trường ngoài đã tạo ra một sự sắp xếp một ít các mômen này
và vì vậy mà một độ từ hóa thấp theo cùng phương như từ trường
ngoài. Khi tăng nhiệt độ, do sự chuyển động nhiệt sẽ tăng lên, nó sẽ
trở nên khó hơn để sắp xếp các mômen từ nguyên tử và vì vậy, độ
cảm từ sẽ giảm xuống. Bản chất này được biết như định luật Curie và
được cho trong phương trình 7, ở đó C là một hằng số vật liệu được
gọi là hằng số Curie.
C

(7)
T
Các vật liệu tuân theo định luật này là các vật liệu trong đó các
mômen từ được định xứ tại vị trí nguyên tử hay ion và ở đó không có
tương tác giữa các mômen từ lân cận. Muối hydrad của các kim loại
chuyển tiếp, như CuSO4.5H2O, là các ví dụ của loại này có bản chất
như các ion kim loại chuyển tiếp, có một mômen từ , được bao quanh
bởi nhiều các ion hay các nguyên tử không từ, ngăn cản tương tác
giữa các mômen từ lân cận.
21
Thực ra thì định luật Curie là trường hợp riêng của định luật Curie-Weiss
tổng quát hơn ( phương trình 8), nó hợp nhất một hằng số nhiệt độ ()
và bắt nguồn từ lý thuyết Weiss, sử dụng cho các vật liệu sắt từ, kết
hợp tương tác giữa các mômen từ.
C

(8)
T 
Trong phương trình này,  có thể dương, âm hoặc bằng không. Rõ ràng
là khi  = 0, thì định luật Curie-Weiss bằng định luật Curie. Khi  khác
không thì có một tương tác giữa các mômen từ lân cận và các vật liệu
chỉ là thuận từ ở trên một nhiệt độ chuyển tiếp nào đó. Nếu  dương thì
vật liệu là sắt từ ở dưới nhiệt độ chuyển tiếp và giá trị  tương ứng với
nhiệt độ chuyển tiếp ( nhiệt độ Curie, TC). Nếu  là âm, thì khi đó vật liệu
là phản sắt từ ở dưới nhiệt độ chuyển tiếp ( nhiệt độ Néel, TN), song giá
trị của  không liên quan tới TN. Một điều quan trong cần chú ý là
phương trình này chỉ có giá trị khi vật liệu ở trong trạng thái thuận từ.Nó
cũng không có giá trị cho nhiều kim loại vì các electron đóng góp vào
mômen từ đều không định xứ. Song định luật áp dụng cho một vài kim
loại , chẳng hạn các đất hiếm, ở đó các electron 4f, tạo nên mômen từ là
22
xếp chặt.
Model Pauli của tính thuận từ là đúng cho các kim loại mà
ở đó các electron là tự do và tương tác để tạo ra một vùng
dẫn . Điều này đúng cho hầu hết các kim loại thuận từ.
Trong model này các electron dẫn được xem như là tự do
và dưới một trường ngoài một sự mất cân bằng giữa các
electron với spin ngược nhau được tạo ra dẫn đến một độ
từ hóa thấp có cùng phương với từ trường ngoài. Độ cảm
từ không phụ thuộc vào nhiệt độ, tuy rằng cấu trúc vùng
electron có thể bị ảnh hưởng, và lại ảnh hưởng lên độ cảm
từ.
23
Tính sắt từ
24
Tính sắt từ
Tính sắt từ chỉ có thể khi các nguyên tử được sắp xếp trong một mạng
và các mômen từ nguyên tử có thể tương tác lên nhau và sắp xếp
song song với nhau. Hiệu ứng này được giải thích theo lý thuyết cổ
điển bằng sự có mặt của một trường phân tử bên trong vật liệu sắt từ,
lần đầu tiên được đưa ra bởi Weiss vào năm 1907. Trường này đủ để
từ hóa vật liệu đến trạng thái bão hòa. Trong cơ học lượng tử, model
Heisenberg của sắt từ đã mô tả sự định hướng song song của các
mômen từ theo tương tác trao đổi giữa các mômen lân cận.
Weiss đã đưa ra sự có mặt của các đômen từ bên trong vật liệu, là
các vùng mà ở đó các mômen từ nguyên tử được định hướng . Sự
dịch chuyển của các đômen này sẽ xác định vật liệu hưởng ứng như
thế nào với một từ trường và như một hệ quả, độ cảm là một hàm của
từ trường ngoài. Vì vậy, các vật liệu sắt từ thường được so sánh theo
độ từ hóa bão hòa ( độ từ hóa khi tất cả các đômen đã được định
hướng ) hơn là theo độ cảm từ.
25
Trong bảng tuần hòan các nguyên tố, chỉ có Fe,
Co và Ni là chất sắt từ tại và trên nhiệt độ
phòng. Bởi vì các vật liệu sắt từ được nung lên
trên nhiệt độ đó sẽ tạo nên sự chuyển động
nhiệt của các nguyên tử, nghĩa là bậc định
hướng của các mômen từ nguyên tử giảm đi và
vì vậy,độ từ hóa bão hòa cũng giảm xuống. Dần
dần, sự chuyển động nhiệt trở nên lớn đến mức
vật liệu trở thành thuận từ; nhiệt độ của sự
chuyển này là nhiệt độ Curie, Tc ( Fe: Tc =
770oC, Co: Tc= 1131oC và Ni: Tc= 358oC) , Trên
Tc độ cảm từ thay đổi theo định luật CurieWeiss.
26
Chất phản sắt từ.
27
Trong bảng tuần hòan, chỉ có một nguyên tố
biểu hiện tính phản sắt từ tại nhiệt độ phòng là
crom. Các vật liệu phản sắt từ rất giống như
các vật liệu sắt từ, nhưng tương tác trao đổi
giữa các nguyên tử lân cận dẫn đến sự sắp
xếp phản song song của các mômen từ
nguyên tử. Vì vậy, từ trường trượt tiêu và vật
liệu xuất hiện bản chất giống như là một vật
liệu thuận từ. Giống như các vật liệu sắt từ, các
vật liệu này trở thành thuận từ ở trên một nhiệt
độ chuyển tiếp , được gọi là nhiệt độ Néel, TN. (
Cr: TN = 37oC) .
28
Ferit từ
29
Ferit từ chỉ được quan sát trong các hợp chất có cấu trúc
tinh thể phức tạp hơn so với các nguyên tố thuần khiết.
Bên trong các vật liệu này các tương tác trao đổi dẫn đến
một sự sắp xếp song song của các nguyên tử trong cùng
một vị trí tinh thể và sự sắp xếp phản song song trong
các vị trí khác. Vật liệu bị chia thành các đômen, giống
như trong vật liệu sắt từ và bản chất từ cũng như vậy ,
mặc dù các vật liệu ferít có độ từ hóa bão hòa thấp hơn.
Ví dụ trong ferit barium, ( BaO.6Fe2O3), ô đơn vị chứa 64
ion, trong đó các ion Ba và ôxy không có các mômen từ;
16 Fe3+ có các mômen từ sắp xếp song song và 8
Fe3+sắp xếp phản song song , cho một độ từ hóa riêng
song song với trường ngoài, nhưng với độ lớn tương đối
thấp, chỉ 1/8 của các ion đóng góp vào độ từ hóa của vật
liệu.
30
5. Các tính chất nội tại của các vật liệu
Độ từ hóa bão hòa (Ms)
Độ từ hóa bão hòa (Ms) là một phép đo số lượng cực đại của
trường có thể được sinh ra bởi một vật liệu. Nó sẽ phụ thuộc vào
cường độ của các mômen dipol trên các nguyên tử cấu tạo vật
liệu và chúng xếp chặt như thế nào đó với nhau. Mômen dipol
nguyên tử sẽ bị ảnh hưởng bởi bản chất của nguyên tử và toàn
bộ cấu trúc electron bên trong hợp chất. Mật độ xếp của các
mômen nguyên tử sẽ được xác định bởi cấu trúc tinh thể ( tức là
không gian của các mômen ) và sự có mặt của các nguyên tố
không có từ tính bên trong cấu trúc.
Đối với các vật liệu sắt từ, tại các nhiệt độ nhất định, Ms cũng sẽ
phụ thuộc vào việc các mômen từ này sắp xép tốt như thế nào,
vì dao động nhiệt của các nguyên tử gây ra sự sai hỏng sắp xếp
của các mômen và làm giảm Ms. Đối với các vật liệu ferit, không
phải tất cả các mômen đều sắp xếp song song, ngay cả tại 0 K
và vì vậy, Ms sẽ phụ thuộc vào sự sắp xếp tương đối của các
mômen cũng như nhiệt độ.
31
Độ từ hóa bão hòa cũng được xem như độ từ hóa tự phát, tuy nhiên
số hạng này thường được sử dụng để mô tả độ từ hóa bên trong một
đơn đômen từ. Bảng 3 cho ta vài ví dụ các vật liệu thường dùng trong
các ứng dụng từ tính.
Bảng 3. Độ phân cực từ bão hòa Js và nhiệt độ Curie Tc của vài vật lịêu từ
32
Sự dị hướng từ
Sự dị hướng từ của tinh thể cobalt
33
Sự dị hướng từ
Trong một vật liệu từ kết tinh,các tính chất từ sẽ rất phụ thuộc
vào các phương tinh thể hóa, mà các dipol từ sẽ sắp xếp. Hình 4
biểu diễn hiệu ứng này đối với một đơn tinh thể cobalt. Cấu trúc
tinh thể hexagonal của cobalt có thể được từ hóa dễ dàng theo
phương [0001] ( tức là dọc theo trục c), nhưng có trục khó của
độ từ hóa theo phương loại [1010], nằm trong mặt phẳng cơ sở (
90o so với trục dễ).
Một phép đo dị hướng từ tinh thể theo phương dễ từ hóa là
trường dị hướng, Ha ( được minh họa trên hình 4 ), là trường đòi
hỏi để quay tất cả các mômen đi 90o, là một đơn vị trong một
đơn tinh thể bão hòa. Sự dị hướng được gây ra bởi một liên kết
của các quỹ đạo electron đối với mạng, và theo phương dễ từ
hóa thì liên kết này là làm cho các quỹ đạo này ở trạng thái năng
lượng thấp nhất.
34
Sự dị hướng từ
Hướng dễ từ hóa đối với một nam châm vĩnh cửu,
ferít hay hợp kim đất hiếm, có thể là đơn trục ,
song nó cũng có thể có các vật liệu với nhiều trục
dễ hoặc ở đó trục dễ nằm tại mọi nơi trong một
mặt phảng nào đó hoặc trên bề mặt của một hình
nón. Sự thực là,một nam châm vĩnh cửu có tính dị
hướng đơn trục nghĩa là khó để khử từ , vì nó cản
trở sự quay của phương từ hóa.
35
Các đômen từ
Để giải thích được sự thật là các vật liệu sắt từ với độ từ
hóa tự phát có thể tồn tại ở trạng thái khử từ, Weiss đã
đưa ra khái niệm các đômen từ. Weiss đã xây dựng trên
cơ sở của công trình trước đó của Ampère, Weber và
Ewing khi đưa ra sự tồn tại của chúng. Các kết quả tìm
thấy của công trình này liên quan đến điều là bên trong
một đômen một số lớn các mômen nguyên tử đã được
định hướng là 10 12 – 10 18, vượt quá một khối lượng lớn
hơn nhiều so với những dự đoán trước đó. Độ từ hóa bên
trong đômen đã được bão hòa và sẽ luôn nằm theo
phương từ hóa dễ khi ở đó không có từ trường ngoài đặt
vào. Phương của sự định hướng đômen ngang qua một
khối lượng lớn vật liệu là ngẫu nhiên nhiều hay ít và vì
vậy độ từ hóa của một mẫu là có thể bằng không.
36
Các đômen từ
Đômen từ tồn tại nhằm giảm năng lượng của hệ. Một mẫu được
từ hóa đồng nhất, như trên hình 5(a), có một năng lượng tĩnh từ
lớn liên quan đến nó. Đó là hệ quả của sự có mặt của cáccự từ tự
do tại bề mặt của mẫu, khi phát sinh ra một trường khử từ , Hd.
Từ quy ước được chấp nhận cho dịnh nghĩa của mômen từ cho
một dipol từ thì độ từ hóa bên trong mẫu chỉ ra đi từ cực nam
cho đến cực bắc, trong khi đó phương của từ trường chỉ ra là đi
từ cực bắc đến cực nam. Vì vậy, trường khử từ theo phương
ngược với sự từ hóa của mẫu. Độ lớn của Hd phụ thuộc vào
hình học và độ từ hóa của mẫu. Nói chung, nếu mẫu có tỷ lệ cao
của độ dài trên đường kính ( và được từ hóa theo truc dài) thì
trường khử từ và năng lượng tĩnh từ sẽ thấp.
37
Các đômen từ
Minh họa sự chia vật liệu thành (a) đơn đômen, (b) hai
dômen, (c) Bốn đômen và (e) Các đômen khép kín.
38
Các đômen từ
Việc phân chia mẫu được từ hóa thành hai đômen như
minh họa trên hình 5(b) đã làm giảm năng lượng tĩnh từ
xuống còn một nửa. Trong thực tế , nếu nam châm
được phân chia thành N đômen thì năng lượng tĩnh từ
sẽ được giảm đi N lần, vì vậy, hình 5(c) có ¼ năng
lượng tĩnh từ của hình 5(a). Hình 5(d) chỉ ra cấu trúc
đômen kín, ở đó năng lượng tĩnh từ bằng không, song
điều này chỉ có thể được đối với các vật liệu mà không
có một dị hướng từ đơn trục mạnh, và các đômen lân
cận không phải bị từ hóa theo phương 180o đối với
nhau.
39
Các đômen từ
Việc đưa vào một đômen đã làm tăng năng lượng tổng cộng của
hệ, vì vậy việc chia thành các đômen chỉ tiếp tục khi việc giảm
năng lượng tĩnh từ lớn hơn so với năng lượng đòi hỏi để tạo ra
vách đômen. Năng lượng liên quan đến một vách đômen tỷ lệ với
diện tích của nó. Việc biểu diễn sơ đồ của vách đômen được chỉ ra
trên hình 6, chỉ ra rằng các mômen dipol của các nguyên tử bên
trong vách không nằm 180o đối với nhau và năng lương trao đổi
cũng tăng lên bên trong vách. Vì vậy, năng lượng vách đômen là
một tính chất nội tại của một vật liệu phụ thuộc vào mức độ dị
hướng từ tinh thể và cường độ của tương tác trao đổi giữa các
nguyên tử lân cận. Độ dày của vách sẽ thay đổi tương quan đến
các thông số này, vì một dị hướng từ tinh thể mạnh sẽ phù hợp một
vách hẹp, trong khi mà một tương tác trao đổi mạnh sẽ thích hợp
với một vách rộng.
40
Domains:
Magnetized material
Unmagnetized material
E total minimized by presence of
domains within material that align
spins within domains, and keep H
external ~ 0
41
Domains
Domains showing the
effect of minimizing
exchange energy and
magneto static energy
(a)
(b)
Magneto Static Energy
MAXIMUM
(d)
(c)
MINIMIZED
REDUCED
(e)
Showing additional energy contributors – Magneto
Striction and Wall Surface Energy
42
Domains
Magnetic Domains delineated by iron filings
in an applied Magnetic Field.
Magnetic Force Microscopy
(MFM) image showing the
magnetic domains in a piece of
heat treated carbon steel
43
Part 2
Domains
Wall thickness about 1000 Å (100 nm, 0.1 m)
44
Các đômen từ
Sơ đồ biểu diễn vách đômen 180o
45
Các đômen từ
Vì vậy, một năng lượng cực tiểu có thể đạt
được với một số riêng biệt các đômen bên
trong một mẫu. Số các đômen sẽ phụ thuộc
vào kích thước và hình dạng của mẫu ( nó sẽ
ảnh hưởng lên năng lượng tĩnh từ) và tính
chất từ nội tại của vật liệu ( nó sẽ ảnh hưởng
lên năng lượng tĩnh từ và năng lượng vách
đômen).
46
8- Hiện tượng từ trễ
Một chu trình trễ điển hình của vật liệu sắt từ hay ferít.
47
8- Hiện tượng từ trễ
Các vật liệu sắt từ và ferit từ có các đường cong từ hóa
ban đầu không tuyến tính ( tức là các đường chấm trên
hình 7), bởi vì độ từ hóa thay đổi với từ trường ngoài là
do một sự thay đổi trong cấu trúc đômen từ. Các vật
liệu này cũng chỉ ra tính trễ và độ từ hóa không quay về
giá trị không sau khi cắt từ trường ngoài. Hình 7 chỉ ra
một chu trình từ hóa tiêu biểu ; hai chu trình biểu diễn
cùng một số liệu , song, chu trình màu đỏ là độ phân
cực ( J = 0M = B - 0 H) và chu trình màu xanh là độ
cảm ứng, cả hai đều được vẽ đối với từ trường ngoài.
48
Hiện tượng từ trễ
Trên một phần tư thứ nhất của chu trình được minh họa là
đường cong từ hóa ban đầu ( đường chấm chấm), chỉ ra sự tăng
của độ phân cực và (độ cảm ứng ) lên sự áp đặt của một trường
đến mẫu chưa bị từ hóa. Trong một phần tư thứ nhất, độ phân
cực và trường ngoài , cả hai đều dương, tứ là chúng trong cùng
hướng. Độ phân cực tăng ban đầu bằng sự lớn lên của các đômen
được định hướng thuận lợi, nó sẽ được từ hóa trong phương dễ
của tinh thể. Khi độ phân cực có thể tăng lên không thể hơn nửa
bởi sự lớn lên của các đômen, thì phương của độ từ hóa của các
đômen khi đó sẽ quay từ trục dễ sang định hướng với trường.
Khi tất cả các đômen được định hướng hoàn toàn với trường
ngoài thì sự bão hòa sẽ đạt được và độ phân cực không thể tăng
hơn nữa.
49
Hiện tượng từ trễ
Nếu trường ngoài được dỡ bỏ thì độ phân cực quay trở về dọc
theo đường liền màu đỏ theo trục y ( tức là H = 0), và các
đômen sẽ trở về hướng dễ từ hóa của chúng. Hệ quả làm giảm
độ phân cực. Trên hinh 7, đường xuất phá từ điểm bão hòa đến
trục y là nằm ngang, biểu diễn một vật liệu định hướng tốt, ở đó
các đômen được từ hóa theo hướng dễ của tinh thể tại điểm
bão hòa.
Nếu hướng của trường ngoài là ngược lại ( tức là theo hướng
âm ) thì khi đó sự phân cực sẽ đi theo đường đỏ vào trong một
phần tư thứ hai. Hiện tượng trễ nghĩa là sự phân cực chậm lại
phía sau trường ngoài và sẽ ngay lập tức chuyển hướng vào
ytong một phần tư thứ ba ( tức là sự phân cực âm). Sự phân
cực sẽ chỉ giảm xuống sau khi trường ngoài đủ cao được đặt
vào để:
1) tạo mầm và nuôi lớn các đômen được định hướng phù hợp
đối với trường ngoài.
2) Quay hướng của độ từ hóa của các đômen về phía từ trường
50
ngoài.
Hiện tượng từ trễ
Sau khi áp đặt một từ trương đủ cao, sự phân cực bão
hòa sẽ đạt được theo hương âm. Nếu từ trường ngoài
sau đó giảm xuống và lại được áp đặt theo chiều dương
thì chu trình trễ đầy đủ sẽ được vẽ ra.
Nếu trường được chuyển lặp lại tù hướng dương sang
âm và đủ lớn thì khi đó sự từ hóa và cảm ứng từ sẽ vẽ
một chu trình trễ theo hướng ngược chiều kim đồng hồ.
Diện tích chứa bên trong chu trình chỉ ra lượng năng
lượng hấp thụ bởi vật liệu trong suốt mỗi vòng của chu
trình trễ.
51
52
Các thông số từ
Chu trình trễ là một phương tiện đặc trưng cho các vật liệu từ, và các
thông số khác nhau có thể được xác định từ nó.
Trong nữa phần tư thứ nhất, độ phân cực bão hòa Js và vì vậy mà độ
từ hóa bão hòa , Ms có thể đo được.
Song, hầu hết các thông tin hữu ích có thể nhận được trong một phần
tư thứ hai của chu trình.
Trường được tạo ra bởi nam châm sau khi trường từ hóa được ngắt
ra , được gọi là cảm ứng còn dư Br hay Jr.
Trường ngược đòi hỏi để đưa cảm ứng từ về không gọi là lực kháng
từ cảm ứng, bHc,
Trong khi đó, trường ngược đòi hỏi để đưa độ từ hóa về không gọi là
lực kháng từ nội tại, jHc.
Giá trị cực đại của tích số của B và H được gọi là tích năng lượng cực
đại, (BH)max và là số đo lượng cực đại của công hửu ích có thể thực
hiện bởi nam châm. (BH)max được dùng như một đặc trưng cho vật liệu
nam châm vĩnh cửu.
53
Các thông số từ
Hình dạng của đường cong từ hóa ban đầu và chu trình
từ trễ có thể cung cấp thông tin về bản chất đômen bên
trong vật liệu.
Hệ số vuông góc là phép đo độ vuông góc của chu trình
và là một đại lượng không kích thước giữa 0 và 1, được
định nghĩa bằng tỷ số của trường ngược đòi hỏi để giảm J
đi 10% khỏi độ cảm còn dư, trên Hcj. Vì vậy hệ số vuông
góc là 1 tương ứng với một chu trình vuông góc hoàn hảo.
Có vài phương pháp khác để phân loại độ vuông góc của
chu trình, như tỷ số của ji trên js .
54
Cơ chế lực kháng từ:
Đối với một vật liệu từ cứng, người ta mong muốn rằng các đômen không
thể quay một cách dễ dàng phương của độ từ hóa và các vách đômen không
dịch chuyển một cách dễ dàng / hoặc việc tạo mầm các đômen là khó khăn.
-Để ngăn cản việc quay các đômen, vật liệu phải có một sự dị hướng từ tinh
thể đơn trục mạnh. Nói cách khác, sự dị hướng từ hình dạng xảy ra trong
các hạt có dạng hình kim, ở đó, năng lượng tĩnh từ sẽ nhỏ khi độ từ hóa
nằm trong trục dọc của hình kim so với trục ngang.
- Nếu kích thước của hạt từ giảm xuống đến một kích thước ngưỡng mà
dưới nó sự giảm trong năng lượng tĩnh từ bằng việc tách thành hai đômen sẽ
nhỏ hơn so với việc tăng năng lượng do việc đưa vào vách đômen. Các hạt
ở dưới kích thước ngưỡng được gọi là “các hạt đơn đômen”, và nếu chúng
có độ dị hướng đủ cao để ngăn cản việc quay hướng của độ từ hóa thì các
hạt sẽ giữ lại từ tính và khó bị khử từ. Cơ chế lực kháng từ loại này có thể
được quan sát trong các nam châm NdFeB phun- nóng chảy., ở đó kích
thước tinh thể là ~ 50 nm, so với kích thước ngưỡng cho các hạt đơn đômen
55
là ~ 300 nm.
Các nam châm vĩnh cửu cũng có thể chống lại sự khử từ bằng cách
chốt chặt các vách đômen. Trong các nam châm loại Sm2(Co, Fe,
Cu, Zr )17, điều này đã đạt được bởi sự có mặt của pha SmCo5, trong
đó năng lượng vách đômen thấp hơn đáng kể so với năng lượng của
pha Sm2Co17. Vì vậy các vách đômen đã bị chốt chặt bên trong pha
SmCo5 và cả hai quá trình từ hóa và khử từ đều khó khăn.
Các nam châm vĩnh cửu cũng có thể đạt được lực khử từ bằng việc
tạo ra khó khăn cho việc tạo ra mầm của các đômen mới. Cơ chế
này có thể tìm thấy trong các nam châm vĩnh cửu NdFeB thiêu kết, ở
đó, một pha biên hạt không từ tác dụng làm trơn các biên hạt khi
dịch chuyển các vị trí mầm đômen. Các nam châm vĩnh cửu khống
chế được việc tạo mầm sẽ dễ dàng bị từ hóa vì trạng thái ban đầu đã
có vài đômen trong mỗi tinh thể, nhưng khó để khử từ bởi vì điều
này đòi hỏi tạo mầm các đômen ngược mới.
56
Chương II. Các vật liệu từ cứng
57
58
59
Các nam châm cứng, cũng còn gọi là các nam châm vĩnh cửu, là các vật
liệu từ mà vẫn còn giử lại tính chất từ của chúng sau khi bị từ hóa. Thực
tế thì điều này có nghĩa là các vật liệu có lực kháng từ nội lớn hơn ~ 10
kAm-1.
Người ta tin rằng các nam châm vĩnh cửu được những người Trung
Quốc sử dụng làm kim labàn vào 2500 năm trước công nguyên. Song
chỉ vào đầu thế kỷ hai mươi, thép carbon cao và thép chứa vonfram /
crom đã thay thế lodestone làm các nam châm vĩnh cửu tốt nhất. Các
nam châm này là các nam châm vĩnh cửu do sự chốt chặt các vách
đômen bởi các lệch mạng và sai hỏng. Sự dịch chuyển của các lệch
mạng bên trong một vật liệu thường bị ngăn trở bởi cùng các nhân tố
ảnh hưởng lên sự dịch chuyển của các vách đômen và như một hệ quả,
các thép này rất cứng về mặt cơ học và có nguồn gốc là từ cứng. Các
nam châm này có một tích năng lượng gần bằng 8 kJm-3.
60
Alnico
Trong sự phát triển của các nam châm vĩnh cửu , sự cải thiện đầu tiên trên các
thép , vào đầu những năm 1930, đã pháp hiện ra nhóm của các hợp kim được
gọi là các hợp kim Alnico. Các hợp kim này chủ yếu dựa trên các nguyên tố
nickel, cobalt và sắt với một lượng nhỏ của nhôm, đồng và titan ( Trọng lượng
điển hình %: Fe-35, Co-35, Ni-15, Al-7, Cu-4, Ti-4). Thành phàn hợp kim và
việc ủ đã được phát triển hàng năm, và các tính chất đạt tới một cực đại vào
năm 1956 với việc đưa vào alnico 9 dị hướng cột, với một tích năng lượng ~ 80
kJm-3. Các hợp kim này vẫn được dùng cho tới bây giờ vì chúng có một nhiệt
độ Curie cao ( ~850oC), và hệ quả là có thể làm việc ở các nhiệt độ cao hơn
cũng như bền vững hơn xung quanh nhiệt độ phòng so với vài hợp kim hiện đại
hơn. Song , nhược điểm chủ yếu của chúng là chúng có lực kháng từ nội tại
thấp ( ~ 50 kAm-1) và như một hệ quả, chúng chỉ có thể được tạo ra dưới dạng
hình móng ngựa hay hình trụ mỏng dài, không biểu hiện các trường khử từ lớn.
Các nam châm này được thiêu kết hay đúc trực tiếp, và sau đó được ủ trong
một từ trường. Cách xử lý này đã tạo ra một vi cấu trúc định hướng gồm các
thanh Fe-Co(’) trong một ma trân Ni-Al() từ yếu. Lực kháng từ bắt nguồn từ
bản chất hình dạng thanh của pha ’ khi phát sinh dị hướng hình dạng cùng với
tính từ yếu của pha cố định các vách đômen.
61
Ferít cứng,
Tiến bộ tiếp theo trong sự phát triển của nam châm vĩnh cửu đã đến vào những năm 1950
với sự đưa ra các ferít hexagonal cứng thường được xem như nam châm gốm. Các vật liệu
này là ferít từ và vì tỷ lệ của sắt bên trong vật liệu có độ từ dư khá thấp (~400 mT). Lực
kháng từ của các nam châm này ( ~ 250 kAm-1), vượt quá xa bất kỳ vật liệu nào trước đây.
Độ từ dư thấp nghỉa là tích năng lượng cực đại chỉ cỡ ~ 40 kJm-3, thấp hơn cả alnico,
nhưng nhờ lực kháng từ cao nên các vật liệu này có thể làm thành các phần mỏng hơn. Các
nam châm cũng thể hiện trường khử từ vừa phải và vì vậy có thể được sử dụng cho các
ứng dụng như là các motơ nam châm vĩnh cửu. Cấu trúc ferít lục giác được tìm thấy trong
cả hai loại BaO.6Fe2O3 và SrO.6Fe2O3, nhưng ferít Sr có các tính chất hơi cao hơn.
Ưu điểm chính của các ferít là chúng có giá thành cực kỳ thấp, nhờ việc dễ dàng xử lý và
giá nguyên liệu thấp, điều này làm cho chúng trở thàmh vật liệu nam châm vĩnh cửu được
ứng dụng rộng rãi nhất. Các nam châm được tạo ra bằng quá trình luyện kim bột và không
có vấn đề nào trong việc ôxy hóa bột trong suốt quá trình xử lý. Bởi vì vật liệu vốn là một
ôxyt bền vững.Con đường xử lý bột bao đảm chắc chắn rằng các nam châm gồm có các
hạt rất nhỏ ( < 1 mm), là cần thiết cho việc phát sinh lực kháng từ trong các nam châm này.
Trong quá trình xử lý, bột được là xếp chặt trong một từ trường để định hướng phương dễ
của độ từ hóa của các hạt và vì vậy tăng cường độ từ dư và tích năng lượng cực đại.
62
Loại SmCo
Vào năm 1966, các tính chất từ của phase YCo5đã được phát hiện ra. Đó
là phase đầu tiên dựa trên cơ sở của một nguyên tố đất hiếm (RE) và và
một kim loại chuyển tiếp (TM) đã được tìm thấy là có các tính chất nam
châm đất hiếm. Tổ hợp của RE và TM là tổ hợp lý tưởng bởi vì RE cung
cấp tính dị hướng cho phase và TM cung cấp độ từ hóa và nhiệt độ Curie
cao. Sự phát hiện ra SmCo5 tiếp theo vào năm 1967 và trở thành vật liệu
từ vĩnh cửu RE/TM thương mại đầu tiên, được kết dính polymer và có
một tích năng lượng ~ 40 kJm-3. Cuối năm 1969, người ta thấy rằng các
nam châm thiêu kết SmCo5 có thể được tạo ra với tích năng lượng ~ 160
kJm-3. Các nam châm này có Sm dư tạo ra một phas biên hạt nhẵn và lực
kháng từ thu được bằng việc ngăn cản sự tạo mầm của các đômen ngược.
63
Vào năm 1976, tích năng lượng cực đại kỷ lục đã được tăng lên đến 240 kJm-3,
với một hợp kim dựa trên cơ sở Sm2Co17. Các vật liệu này là dựa trên thành phần
chung Sm2(Co, Fe, Cu, Zr ) và đạt được các tính chất từ vĩnh cửu của chúng
bằng việc kiểm soát cẩn thận vi cấu trúc.các nam châm được tạo ra bằng luyện
kim bột và là dung dịch được xử lý tại ~ 1100oC, ở đó chúng là đơn phas. Giai
đoạn đồng nhất này được tiếp theo bằng vài việc xử lý già hóa tại nhiệt độ thấp
hơn, ở nhiệt độ đó , vi cấu trúc ô mạng đã được tạo ra. Các ô mạng dựa trên phas
loại Sm2Co17, giàu Fe và các biên ô mạng bao gồm một lớp phas loại SmCo5,
giàu Cu. Các tính chất từ nội tại của các ômạng và các biên ô mạng thay đổi như
là năng lượng vách đômen từ giảm nhiều bên trong đường biên ô mạng và từ đó
dính chặt các vách đômen, dẫn đến các tính chất từ vĩnh cửu. Vẫn còn có nhiều
điều lý thú trong các vật liệu này như chúng có tiềm năng họat động ở nhiệt độ
cao (~500oC), tạo ra các ứng dụng mới có thể được , chẳng hạn chịu được trong
động cơ turbin khí.
Vấn đề chủ yếu đối với các nam châm dựa trên Sm/Co là giá đắt của nguyên
liệu. Samari ít phong phú hơn các nguyên tố đất hiếm khác, như các nguyên tố
La, Ce, Pr, và Nd, chiếm hơn 90% của các kim loại đất hiếm trong các quặng đất
hiếm tiêu biểu. Cobalt được xếp vào loại kim loại quan trọng chiến lược và việc
buôn bán bị hạn chế.
64
Loại NdFeB
Vào năm 1984, các tính chất từ của NdFeB đã được phát hiện một cách đồng
thời bở General Motor ơ Mỹ và Sumitomo Special Metals của Nhật Bản.Cả hai
nhóm đều tạo ra vật liệu dựa trên phas từ Nd2Fe14B, nhưng các phương pháp
gia công khác nhau.
Thiêu kết
Tại Nhật Bản, Sumitomo Special Metals đã phát triễn con đường gia công
luyện kim bột, ban đầu cho tích năng lượng được quan sát cao nhất đã từng có,
hơn 300kJm-3. Các nam châm vĩnh cửu thiêu kết dựa trênNdFeB sau này được
sản xuất ravới tích năng lượng cực đại ~450 kJm-3, bằng cách cải thiện vịêc xử
lý nhiệt, được kiểm sóat nhiều hơn và sử dụng các thành phân giàu sắt hơn.
Các nam châm dựa trên NdFeB thiêu kết đã đạt được lực kháng từ do một phas
giàu Nd tại các biên hạt có tác dụng để tạo ra phas lỏng khi thiêu kết, làm trơn
các biên và vì vậy ngăn cản việc tạo mầm các đômen từ ngược.
Các bột HD sau đó tiếp tục bị vỡ ra bằng thiết bị nghiền phun (Jet), làm giảm
kích thước hạt xuống còn cỡ 5 mm. Cần phải chú ý rằng khi hợp kim đang ở
dưới dạng bột thì rất dễ cháy và phải được giữ trong một khí trơ.
65
Hình 9. Phương pháp xử lý nam châm vĩnh cửu NdFeB thiêu kết.
66
Khi bột bị vỡ ra mịn để kích thước mỗi hạt bột là một đơn tinh thể, có thể định hướng
trong một từ trường. Sự định hướng này được giữ tại chỗ bằng cách ép bột thành khối đặc
màu xanh, cỡ 60% độ đặc. Tổ hợp này sau đó được nung trong chân không ở nhiệt độ ~
1050oC trong 1 giờ. Trong giai đoạn nung nhiệt, hydro được đưa đến vật liệu và được
bơm hút ra. Khi giữ tại nhiệt độ ~ 1060oC trong một giờ thì sự thiêu kết sẽ xảy ra và tổ
họp sẽ trở nên đậm đặc, với sự giúp đở của một chất lỏng bằng việc làm nóng chảy pha
giàu Nd. Sau khi thiêu kết, các nam châm sẽ được làm nguội và sau dó được xử lý nhằm
đạt được các tính chất từ tối ưu.
Sau đó nam châm được gia công cho đạt kích thước theo yêu cầu ứng dụng dự định. Do
sự co ngót lớn xảy ra trong thời gian thiêu kết, điều này xảy ra lớn hơn theo phương định
hướng, không thể ép tổ hợp để co ngót đến kích thước chính xác được yêu cầu. Việc gia
công là công việc rất tốn kém và , đặc biệt đối với các nam châm nhỏ, một tỷ lệ lớn vật
liệu sẽ mất đi khi gia công.
Do bản chất phản ứng cao của pha giàu Nd, nên các nam châm có xu hướng bị ăn mòn rất
nhanh, đặc biệt trong môi trường ẩm. Vì vậy, giai đoạn tiếp theo của việc xử lý là cung
cấp một hàng rào bảo vệ ở trên bề mặt của nam châm. Việc này thường được thực hiện
với một lớp phủ nickel, tuy nhiên nhôm, kẽm và nhựa epoxy cũng được sử dụng. Cuối
cùng, các nam châm được từ hóa và thử để đưa ra tiêu thụ.
67
Nung chảy
Hình 10. Sơ đồ
biểu diễn quá trình
quay-nung chảy và
sản xuất nam châm
MQ.
68
Ở Mỹ việc quay-nung chảy được sử dụng để tạo ra một dải băng
giống như vật liệu được tạo bột. Trong quá trình này, hợp kim nóng
chảy được phun lên trên bề mặt của một bánh xe đang quay được
làm nguội bằng nước ( hình 10), và đạt tốc độ làm nguội là một
triệu oC/s . Vi cấu trúc và các tính chất từ của các dải NdFeB được
tạo thành bằng phương pháp quay-nung chảy rất nhạy với tốc độ
làm nguội, tức là với tốc độ bánh xe quay. Tốc độ làm nguội cao sẽ
tạo ra các dải băng thực sự vô định hình ( tức là không phải là hạt
tinh thẻ) có lực kháng từ nội không đáng kể. Tốc độ làm nguội tối
ưu sẽ có được các dải băng với các lực kháng từ cao nhất; chúng
bao gồm các hạt Nd2Fe14B dạng gần hình cầu ( đường kính 20 –
100nm) là các hạt đơn đômen , vì vậy có lực kháng từ cao (~ 1000
kAm-1). Ở tại vận tốc bánh xe dưới điểm tối ưu, tốc độ nguội chậm
sẽ tạo ra các dải băng bao gồm các hạt lớn hơn và được đặc trưng
bằng các lực kháng từ thấp. Loại bột này không thể được thiêu kết
để tạo ra các nam châm đặc hoàn toàn mà không phá hủy các tính
69
chất từ, nhưng có thể được dùng trong một trong ba cách:
MQ-I
Dải băng được phun nóng chảy được pha trộn với một loại nhựa để tạo ra một nam
châm vĩnh cửu kết dính. Các tinh thể của vật liệu MQI được định hướng hỗn độn sao
cho các nam châm là đẳng hướng và có thể từ hóa theo bất kỳ trục nào. Bản chất đẳng
hướng của vật liệu đã giới hạn (BH)max cho đến ~ 80 kJm-3.
MQ-II
Tính đậm dặc được cải thiện của các dải băng phun-nóng chảy có thể có được bằng việc
ép nóng tại ~750 oC mà không có tác dụng ngược của lực kháng từ của bột. Các nam
châm loại “MQII” này biểu thị một sự định từ nhẹ ( ~ 10%) và đạt dộ đậm dặc 100% ,
tức là các tính chất từ không bị giảm xuống bởi vật liệu không từ, chẳng hạn nhựa. Vì
vật MQII có (BH)max cao hơn MQI với giá trị 100 – 120 kJm-3.
MQ-III
Sự định hướng lớn hơn một cách đáng kể ( > 75%) và vì vậy tích năng lượng cực đại
lớn hơn, có thể nhân được bằng một bước xử lý phụ thêm. Vật liệu MQIII được nung
cho đến ~750oC trong một khuôn chết ( die cavity) có một đường kính lớn hơn và sau
đó được biến dạng chậm. Quá trình ép nóng thứ hai này, đã giới hạn sự tôi chết ( dieupset forge), tạo ra một dòng nhựa ( plastic flow) và sự dịnh hướng lại của các tinh thể.
Các nam châm như vậy , như “MQIII” có 100% đô đặc, và do sự định hướng của tinh
thể nên có tích năng lượnf cực đại là ~400 kJm-3.
70
Các ứng dụng của vật liệu từ cứng.
71
Tỷ lệ tăng trưởng trong việc sản xuất các nam châm đất hiếm
tiếp tục không sụt giảm, mặc dù có các diễn biến của nền kinh
tế thế giới. Như vậy, các nam châm NdFeB thiêu kết biểu thị
một sự tăng trưởng không ngừng ~ 12%, trong khi đó tỷ lệ
tăng trưởng của các nam châm kết dính vượt quá 20%. Hiện
nay giá trị tổng cộng của các vật liệu từ cứng đã vựt quá các
vật liệu từ mềm và khoảng cách càng ngày càng rộng ra. Lý
do của sự tăng trưởng ngoạn mục này là một phần do thị
trường PC trên toàn cầu đang hưng thịnh, như cỡ 60% sản
lượng nam châm NdFeB đưa vào các ứng dụng làm đĩa cứng,
Các môtơ có cuộn chống ồn ( voice-coil-motors(VCMs)).
Song điều này không phải là tất cả và bảng 4 cho ta thấy một
sự tổng hợp của một khoảng rất rộng các ứng dụng của các
nam châm đất hiếm, và nhiều trong các ứng dụng dó vẫn tiếp
tục tăng trưởng.
72
Nói chung, các nam châm vĩnh cửu vẫn rất quan trong . Có thể
minh họa điều này trong một chiếc xe ôtô. Trong năm mươi
năm trước, một chiếc xe ôtô chỉ có một nam châm ( cái đo tốc
độ), trong khi đó những chiếc xe hiện đại có thể có tới hàng
trăm môtơ nam châm vĩnh cửu. Hiện tại các môtơ này hầu hét
đều dựa trên ferít- sr ( SrFe12O19) và sự thâm nhập của các
nam châm NdFeB vao trong lĩnh vực này đòi hỏi giảm giá
thành đáng kể, một sự tăng trong nhiệt độ họat động cực đại và
sự cải thiện trong vấn đề chống ăn mòn. Các ích lợi đầy tiềm
năng của việv sử dụng nam châm NdFeB có thể là một sự giảm
đáng kể về thể tích và trọng lượng và tính hiệu quả đã được cải
thiện. Điều này có thể ảnh hưởng chủ yếu đến việc sử dụng các
nam châm này trong tương lai.
73
74
Bảng 4. Các ví dụ về ứng dụng đối với các vật liệu từ vĩnh cửu.
Xe hơi
Môtơ khởi động, hệ thống phanh chống khóa (ABS), môtơ điều khiển gạt nước,
các bơm phun, Quạt và điều khiển của sổ. Chỗ ngồi..., loa, phanh bằng dòng
xoáy, máy phát điện xoay chiều.
Viễn thông
Hệ loa, micro, chuông điện thoại, Ống nghe, nói, chuyển mạch và rơle.
Xử lý số liệu
Bộ điều khiển và actuator đĩa cứng, các môtơ bước, máy in.
Hàng điện tử tiêu dùng.
Môtơ DC cho vòi tắm, Máy giặt, Khoan, Bộ điều khiển DC thế thấp cho các
thiết bịkhông dây, Bộ loa cho TV và Audio, Dụng cụ sửa chữa và tập trung tiêu
điểm của chùm TV, Dĩa copact disc, Computer gia đình, máy quay video, bộ
khóa.
Các thiết bị điện tử.
Các cảm biến, Các công tắc không tiếp xúc, Các phổ kế NMR, Đĩa đo năng
lượng, Các thiết bị biến đội điện –cơ, Các ống dẫn trường chéo nhau, Dụng cụ
họat động chuyển dòng, Thiết bị hãm.
75
Công nghiệp.
Môtơ DC cho các dụng cụ từ tính, Robot, Các thiết bị tách từ
cho việc tách kim loại và quặng, Các vật mang từ, các máy nâng,
Các bộ hãm và khớp nối, Các thiết bị đo.
Thiên văn và không gian.
Các vật mang không ma sát, Các môtơ bước, Các liên kết cặp,
Thiết bị, các ống truyền sóng, La bàn tự động.
Phẫu thuật sinh học.
Hàm răng, Nha khoa, Khoa chỉnh hình, Lành vết thương, trét lổ
thủng dạ dày, Các vòng đai đẩy, Trái tim nhân tạo từ động, Thiết
bị quét cơ thể cho Chụp ảnh cộng hưởng từ(MRI).
76
9. Các vật liệu từ mềm.
Các vật liệu từ mềm là các vật liệu được từ hoá và khử từ dễ dàng. Điển
hình là chúng có lực kháng từ nội tại nhỏ hơn 1000 Am-1. Chúngđược sử dụng
đầu tiên để tăng cường hoặc che chắn từ thông được tạo ra bởi một dòng điện.
Thông số chính, thừơng sử dụng như một biểu tựơng cho vật liệu từ mềm là độ
từ thẩm tương đối ( r, ở đây r = B/moH ), là phép đo cho biết độ hưởng
ứng như thế nào của vật liệu đối với từ trường ngoài. Các thông số chính khác
đáng quan tâm là lực kháng từ, độ từ hóa bão hòa và độ dẫn điện.
Các loại ứng dụng của vật liệu từ mềm nằm trong hai lĩnh vực chính: AC và
DC. Trong các ứng dụng DC, vật liệu được từ hóa nhằm thực hiện một họat
động và sau đó bị khử từ tại kết thúc của hoạt động, ví dụ một nam châm điện
trên một cần trục cẩu hàng , được nối mạch để hút lõi thép và sau đó bị ngắt
mạch để tháo rời thép ra. Trong các ứng dụng AC, vật liệu sẽ liên tục xoay
vòng từ hóa theo phương này đến phương khác, qua một chu kỳ họat động., ví
dụ như biến thế công suất. Một độ từ thẩm cao là tốt đối với mỗi loại ứng
dụng, nhưng sụ quan trọng của các tính chất khác sẽ thay đổi.
77
Đối với những ứng dụng DC, điều chú ý chính cho việc chọn vật liệu hầu như
đều giống nhau là độ từ thẩm. Ví dụ như trong các ứng dụng che chắn, ở đó từ
thông phải được che chắn thông qua vật liệu. Ở đây vật liệu được sử dụng để
phát sinh ra một từ trường hoặc tạo ra một lực, vì vậy độ từ hóa bão hòa có thể là
quan trọng.
Đối với các ứng dụng AC, điều chú ý quan trọng là năng lượng bị tổn hao bao
nhiêu trong hệ, khi vật liệu chạy vòng quang chu trình trễ. Su65 mất mát năng
lượng có thể bắt nguồn từ ba nguyên nhân khác nhau: 1. chu trình trễ, liên quan
đến diện tích chứa bên trong chu trình trễ.; 2. mật mát dòng điện xoáy, liên quan
đến sự phát sinh các dòng điện bên trong vật liệu từ và các mất mát chống lại sự
kết hợp; 3. sự mất mát dị thường, liên quan đến sự dịch chuyển của vách đômen
bên trong vật liệu. Các mất mát trễ có thể được giảm xuống bằng việc giảm lực
khạng từ nội tại, với việc giảm hệ quả diện tích bên trong chu trình trễ. Các mất
mát dòng điện xoáy cũng có thể được giảm xuống bằng giảm độ dẫn điện của vật
liệu và bằng việc dát mỏng vật liệu, sẽ ảnh hưởng lên độ dẫn điện toàn bộ và là
quan trọng vì hiệu ứng da tại tần số cao hơn. Cuối cùng, các mất mát dị thường
có thể được giảm xuống bằng việc có một vật liệu hoàn toàn đồng nhất, mà bên
trong nó không có sự cản trở sự dịch chuyển của các vách đômen.
78
Các hợp kim Sắt-Silic.
Các hợp kim này được dùng làm lõi biến thế và được biết là các
thép điện. Trong công nghiệp điện , điện thế hầu như luôn luôn là
AC và tại tần số thấp, 50-60 Hz. Tại các tần số này các dòng điện
xoáy được phát sinh trong các lõi biến thế. Hợp kim Fe với Si có
một ảnh hưởng vô cùng lớn lên điện trở của vật liệu, với sự tăng của
hệ số 4/3 % trọng lượng Si. Silic cũng có ích lợi làm giảm độ từ
giảo ( tức là sự thay đổi độ dài lên độ từ hóa) và sự dị hướng từ tinh
thể. Thêm vào đó, vật liệu được sử dụng dưới dạng cán mỏng , độ
dày điển hình 0.3 đến 0.7 mm. Việc thêm vào quá nhiều silic làm
cho vật liệu cực kỳ dòn và khó để sản xuất, khi cho một giới hạn
thực tế 4% trọng lượng vào số lượng silic được thêm vào. Gần đây,
m65t kỹ thuật đã được phát triển để tạo ra việc dát mỏng với > 6%
trọng lượng Si, bằng việc xử lý lắng đọng hơi hóa học SiCl4 để làm
giàu cán dát mỏng với Si sau khi tạo hình cán dát mỏng. Các thép
điện điển hình nhất sẽ chứagiữa 3 và 4 % trọng lượng Si.
79
Đối với các ứng dụng biến thế, từ thông nằm có ưu thế hơn
theo độ dài của các lá dát mỏng và vì vậy, nó tốt để tăng
cường độ từ thẩm theo phương này. Điều này đã đạt được
bằng các giai đoạn cán nóng và lạnh khác nhau để tạo ra các lá
cấu trúc sợi, được biết như các thép silic dịnh hướng hạt, với
hướng [001] theo độ dài của lá dát mỏng. Các hướng tinh thể
loại <001> là các hướng dễ của độ từ hóa và vì vậy, độ từ
thẩm lớn hơn. Hinh11 chỉ ra sự dị hướng của Fe và minh họa
hai loại cấu trúc có thể đạt được.cấu trúc lập phương nằm trên
cạnh (cube-on-edge) và lập phương. Chú ý rằng cấu trúc lập
phương có hai hướng loại <001> nằm trong mặt phẳng của lá
và cung cấp một lợi ích nếu các lá mỏng dạng E có thể được
cắt ra từ lá sợi ( sheet).
80
(a) Dị hướng từ tinh thể của Fe,
81
(b) Cấu trúc lập phương-bìa và (c) cấu trúc lập phương của thép silic định
hướng hạt.
82
Các hợp kim vô định hình và tinh thể nanô.
Các vật liệu này đã được tạo ra ở dưới dạng của một băng
bằng phương pháp quay nóng chảy. Các hợp kim bao gồm sắt,
nickel, và hoặc cobalt với một hay nhiều hơn các nguyên tố
sau đây: bor, cacbon, phospho và silic. Chúng có một lực
kháng từ cực kỳ thấp, nhỏ hơn một bậc về độ lớn so với FE-Si
tiêu chuẩn, và như vậy thì mất mát trễ thấp hơn. Song chúng
có độ từ hóa tương đối thấp và không phù hợp cho những ứng
dụng dòng cao . Chúng tìm thấy thị trường cho các ứng dụng
dòng thấp và những dụng cụ đặc biệt nhỏ , ở đó chúng có thể
cạnh tranh với Ni-Fe.
83
Thay vì đúc hợp kim trên một bánh xe quay để tạo ra các dải
băng người tacũng có thể bơm một dòng hợp kim nóng chảy
vào trong một bể nước hay dầu để tạo ra các dây vôdịnh hình
chiều dày điển hình là 50 mm. Các dây này có một chu trình
trễ rất vuông góc với những thay đổi lớn trong độ từ hóa tại
trường thấp, là cho chúng trở thành các vật liệu lý tưởng cho
độ nhạy và chuyển mạch.
Gần đây có nhiều quan tâm đến các vật liệu tinh thể nanô,
được tạo ra bằng việc ủ các vật liệu vô định hình. Các hợp kim
này có thể là đơn pha nhưng thường bao gồm các hạt kích
thước nanô, trong khoảng từ 10 – 50 nm, trong một matrân vô
định hình. Chúng có điện trở tương đối cao, dị hướng thấp và
tính bền cơ học cao.
84
Các hợp kim Nickel-Sắt.
Các hợp kim này , còn gọi là permalloy, cực kỳ tuyệt vời, được
sử dụng trong một khoảng rộng của các thành phần, từ 30 đến
80% trọng lượng Ni. Trên khoảng thành phần này, các tính
chất thay đổi và thành phần tối ưu phải đượclựa chọn cho một
ứng dụng riêng biệt. Các hợp kim hàm lượng Ni cao có độ từ
thẩm cao, ở xung quang 50% trong lượng Ni, có độ từ hóa bão
hòa cao và hàm lượng Ni thấp, có một điện trở suất cao.
Có các sự phân loại đặc biệt các hợp kim Ni-Fe có độ từ giảo
zero và dị hướng từ zero, chăng hạn như mumetal, được tạo ra
bằng việc xử lý nhiệt kỹ lưỡng và các chất phụ thêm Cu, Cr.
Các hợp kim này có độ từ thẩm cực cao, đến 300000 và lực
kháng từ nội tại thấp là 0.4 Am-1.
85
Các ferít mềm.
Tại tần số cao, các vật liệu từ mềm kim loại hoàn toàn không thể
được sử dụng do mết mát dòng điện xoáy. Vì vậy, các ferí mềm, là
các chất cách điện gốm, trở thành các vật liệu tốt nhất. Các vật liệu
này là ferit từ với cấu trúc tinh thể lập phương và thành phần tổng
quát là MO.Fe2O3, ở đây M là kim loại chuyển tiếpnhư lả nickel,
mangan hay kẽm.
Ferít MnZn, có tên thương mại là ferroxcube, có thể sử dụng tại
các tần số cho đến 10 MHz, chẳng hạn, trong các bộ truyền và thu
tín hiệu telephon và trong bộ chuyển mạch nguồn công suất ( cũng
có thể tham khảo converter DC-DC). Đối với loại ứng dụng này,
lực thực hiện để làm tăng tần số lè để cho phép sự thu nhỏ lại.
Thêm vào nửa là một phần họ ferít mềm, là các ferít vi sóng, chẳng
hạn granat sắt ytri. Các ferít này được sử dụng trong khoảng tần số
từ 100 MHz đến 500 MHz, cho việc dẫn sóng cho các bức xạ điện
từ và trong các thiết bị vi sóng như cái chuyển phas ( phase
shifter).
86
Các ứng dụng AC.
Các ứng dụng AC liên quan đến các mạch điện và chủ yếu trong các biến
thế khi chuyển đổi thế AC này thành một thế khác. Sự truyền công suất có
hiệu quả hơn tại các thế cao, nhưng nguy hiểm hơn và khó sử dụng ở nhà
hơn. Vì vậy, các biến thế tăng áp ( step-up)được dùng để tăng thế cho sự
truyền tải và các biến thế hạ áp ( step-down) được sử dụng để giảm thế
trước khi đưa vào nhà.
Loại biến thế nhỏ nhất là biến đổi DC-DC, còn được gọi là nguồn nuôi
thay đổi ( switch mode power supply). Những cái này thường được gắn lên
trên một con chip có thể đặt vào một board mạch. Chúng lấy thế DC ở lối
vào. Dao động thế để thành tín hiệu AC, sau đó đi qua một cuộn dây quấn
quanh một lõi xuyến, một cuộn pick-up sẽ thu tín hiệu từ lõi và chỉnh sửa (
nắn) lại thành thế lối ra. Số vòng tương đối trên các cuộn sơ cấp (input) và
cuộn thứ cấp (output) xác định sự khác nhau về thế giữa lối vào và lối ra.
Các vật liệu từ mềm cũng đóng một vai trò quan trọng trong các motơ
điện, ở đó chúng tăng cường trường được tạo ra bởi các vòng quấn môtơ.
Trong các mơtơ nam châm vĩnh cửu, chúng cũng được dùng để che chắn
từ thông được tạo ra bởi các nam châm vĩnh cửu.
87
Các ứng dụng DC.
Một trong những ứng dụng DC chính là trong lĩnh vực che
chắn từ. Một vật liệu từ có độ từ thẩm cao được sử dụng để
bao quang một thiết bị cần phải được che chắn, Hình 12
minh họa một ví du đơn giản của một lá chắn từ , ở đó một
ống tup hay một hình cầu bằng vật liệu có độ từ thẩm cao
che chắn từ trường khỏi vào bên trong ống tup hay hình
cầu. Hiệu quả của việc che chắn có thể biểu thị qua hệ số
che chắn,S, ở đây S liên quan tới trường bên ngoài (Bo) và
trường bên trong (B1) bằng phương trình 9
B0
S
(9)
B1
Đối với một hình cầu, S cần phải được tính theo phương
trính (10), ở đây r = độ từ thẩm tương đối, d = độ dày của
vách và D = đường kính .
4 r d
S
(10)
3 D
88
Hình12. Vật chắn từ bằng ống tup hay quả cầu vật liệu từ mềm.
89
Rõ ràng từ phương trình 10, độ từ thẩm càng cao thì vật liệu sẽ che
chắn tốt hơn. Một điều cũng nhận thấy là sự che chắn càng lớn thì
độ từ thẩm của vật liệu hay độ dày của vách buộc phải tăng lên để
bù trừ.
Các vật liệu từ mềm cũng được sử dụng cho các đầu cực điện từ, để
tăng cường trường được tạo ra bởi nam châm. Các chuyển mạch
solenoit cũng sủ dụng các vật liệu từ mềm để tăng độ tin cậy. Hầu
hết các thiết bị nam châm vĩnh cửu đều sử dụng các vật liệu từ
mềm để che chắn từ thông hoặc là cung cấp một đường trở về cho
từ trường, ví dụ như các máy quét ( scanners) cơ thể của ảnh chụp
cộng hưởng (MRI) có các nam châm vĩnh cửu lớn với một cái gông
(yoke)bằng vật liệu từ mềm để tự ngăn cản trường khử từ, làm
giảm trường trong khe của máy scanner.
Tại tần số cao, các vật liệu từ kim loại không thể được sử dụng do
mất mát dòng điện xoáy. Vì vậy, các ferít mềm là các điện môi
gốm, trở thành vật liệu tốt nhất.
90
10. Các vật liệu từ khác
Vật liệu từ giảo.
Hầu hết các vật liệu từ đều biểu hiện tính từ giảo, đó là sự thay đổi trong kích
thước vật lý do kết quả của trật tự từ. Có hai loại từ giảo: từ giảo tự phát, xuất
hiện từ trật tự từ của mômen nguyên tử ở dưới nhiệt độ Curie ( thường gây ra
sự nở thể tích) và từ giảo cảm ứng từ , xuất hiện từ sự sắp xếp của các đômen
từ khi có tác dụng của một từ trường ngoài.
Sự từ giảo tự phát được được khai thác ở c hợp kim dựa trên NiFe, còn gọi là
invar, với sự chú ý ở sự kiện là nó có sự giản nở nhiệt zero cho đến nhiệt độ
Curie của nó. Như đã được chú ý trước đây, độ từ hóa bão hòa của một vật liệu
giảm khi nung nóng đến nhiệt độ Curie do sự giảm của bậc định hướng của
các mômen từ nguyên tử. Bởi vì sự sắp xếp này và sự giảm của độ từ hóa bão
hòa sau đó làm cho sự giản nở thể tích được gây ra bởi sự từ giảo tự phát và vì
vậy vật liệu co lại. Trong trường hợp của invar sự co lại này là do sự mất mát
của độ từ giảo tự phát bằng sự giản nở được gây ra bởi quá trình dao động
nhiệt thông thường, và vì vậy vật liệu sẽ không thay đổi về kích thước. Song ,
ở trên nhiệt độ Curie sẽ không có trật tự từ nào lâu hơn và sự giản nở nhiệt xảy
ra bình thường.
91
Sự từ giảo cảm ứng trường xảy ra khi sự định hướng các đômen từ và sự thay
đổi kích thước được gây ra bởi trật tự của các mômen từ nguyên tử tổ hợp lại
để cho một sự thay đổi kích thước khối vật liệu.Vật liệu có độ từ giảo lợi ích
lớn là Terfenol, là hợp kim của Tb, Dy, và Fe. Terfenol dùng làm các sensor vị
trí và trường, cũng như bộ truyền động cơ học và micro ( speaker). Các sensor
vị trí / tải trọng làm việc theo nguyên lý là: khi một vật liệu từ giảo biểu hiện
một sức căng thì độ từ hóa của vật liệu sẽ thay đổi. Các bộ truyền động
Terfenol thường có một thanh Terfenol, được đặt dưới lực nén để định hướng
các đômen từ vuông góc với chiều dài của thanh. Một cuộn dây quấn quanh
thanh có thể áp đặt một từ trường lên thang nhằm định hướng các đômen dọc
theo chiều dài của nó. Sơ đồ trên hình 18 chỉ ra một bộ truyền động, có một
nam châm vĩnh cửu để biến đổi thanh Terfrnol sao cho dòng điện chạy trong
cuộn dây theo các phương khác nhau sẽ làm cho bộ truyền động giảm xuống
hay tăng lên theo chiều dài. Nếu sự biến đổi từ không có mặt thì một dòng
điện theo mọi phương có thể làm cho thanh truyền động nở ra và nếu actuator
được sử dụng làm loa thì tần số của thế đặt lên cuộn dây có thể tăng gấp đôi
bởi người nói..
92
Hình 18. Sơ đồ của một bộ truyền động (actuator) bằng tetfenol.
93
Từ trở.
Từ trở (MR) là hiệu ứng mà điện trở của một vật liệu từ thay đổi
phụ thuộc vào hướng tương đối của dòng điện và độ từ hóa. Trong
hầu hết các trường hợp, điện trở là cao nhất khi dòng điện và độ từ
hóa là song song và thấp nhất khi chúng vuông góc. Mức độ từ trở
của một vật liệu thường được thể hiện theo sự thay đổi phần trăm
của điện trở từ điện trở cao nhất đến thấp nhất và thường có giá trị
cỡ vài phần trăm. Ứng dụng chính cho các sensor MR là ở trong
các đầu đọc của các đĩa cứng.
Một hiệu ứng tương tự đã được quan sát trong các lớp từ đa lớp ,
chẳng hạn Fe/Cr, ở đây các lớp sắt từ xen kẽ từng cặp phản song
song với nhau. Dưới ảnh hưởng của từ trường , sự định hướng
tương đối của độ từ hóa của các lớp sẽ thay đổi và điện trở sẽ giảm
xuống đến giá trị cực tiểu khi các phương của độ từ hóa của các
lớp song song. Hiệu ứng này cho sự xuất hiện của sự thay đổi điện
trở 50-60%, và hiệu ứng được mang tên là từ trở khổng lồ (GMR).
94
Vật liệu ghi từ
Sử dụng kỹ thật từ ghi tiếng nói con người lần đầu tiên được kỹ sư
người Đan Mạch, Poulsen, thực hiện vào năm 1898. Việc ghi được
thực hiện trên một dây sắt từ, nhưng do thiếu phần khuếch đại nên
chất lượng ghi rất tồi. Vào năm 1927, băng từ đã được phát minh
một cách đồng thời ở Mỹ và Đức. Song các băng họ ôxyt cho việc
ghi audio đã không được phát triển cho mãi đến năm 1947 bởi
hãng 3M.
Đĩa cứng đầu tiên, có ký hiệu là „RAMAC“, đã được giới thiệu bởi
IBM vào năm 1957, và có dung lượng tồ trữ 2000 bit in-2. Dung
lượng trữ đã tăng lên một cách nhanh chóng và đều đặn từ
„RAMAC“ và vào năm 2000 đã đạt xấp xỉ 1 Gbit in-2, tức là một
sự tăng bằng hệ số nhân 5 triệu. Sự tăng này trong dung lượng lưu
trữ được minh họa trong hình 13., theo sự giảm trong diện tích trên
đĩa được đòi hỏi để trữ thông tin.
95
Hình 14. Biểu diễn hình khối kích thước của một bit dữ liệu trên một đĩa
cứng. Kích thước đã được phóng to lên 1000 lần.
96
Băng từ.
Các băng từ đã được sử dụng mạnh cho việc ghi các tín hiệu
audio và video, tuy nhiên không biết rõ là kỹ thuật này sẽ
được tiếp tục sử dụng bao nhiêu lâu nữa với sự xuất hiện tính
phổ biến của digital versatile disk ( DVD).
Các băng có thể được làm với cả môi trường hạt được dính
lên một đế plastic lẫn màng được bốc bay kim loại (ME) lên
trên một đế. Lớp từ trên băng hạt chỉ có 40% vật liệu từ, trong
khi đó băng ME có 100% lớp từ. Vì vậy, các băng ME cho ta
ghi chất lượng tốt hơn, tuy nhiên chúng tiêu phí thời gian
nhiều hơn để tạo ra và đắt tiền hơn. Các băng hạt rẻ hơn
nhiều , vì vậy là sự lựa chọn cho phần lớn các băng từ.
97
Có một dãy các loại hạt từ có thể sử dụng và đã liệt kê trong
bảng 5, với các tính chất từ của chúng. Giá trị của lực kháng từ
đã cho trong bảng 4 là lấy gần trung bình vì lực kháng từ phụ
thuộc mạnh vào kích thước và hình dạng hạt, sẽ thay đổi trong
bất kỳ mẻ bột nào. Kích thước hạt nhỏ hơn và độ từ hóa cao hơn
sẽ dẫn tới chất lượng ghi tốt hơn, tức là tỷ số tín hiệu trên độ ồn
lớn hơn. Khi mật độ ghi tăng lên, thì kích thước đômen từ giảm
xuống và vì vậy kích thước hạt buộc phải giảm xuống và lực
kháng từ của vật liệu buộc phải tăng lên. Vật liệu rẻ nhất và phổ
biến nhất là -Fe2O3 , trong khi việc làm tăng chất lượng có thể
đạt được thông qua việc sử dụng -Fe2O3 có thay đổi cobalt (23% trong lượng), dioxyt crom và tốt nhất là sắt tinh khiết. Cuối
cùng , cũng cần chú ý trong bảng 5 là hexaferít bari, có lực
kháng từ lớn nhất và được sử dụng cho các ứng dụng mà ở đó dữ
liệu tồn trữ bắt buộc an toàn và không chắc để đòi hỏi ghi lại , ví
98
dụ như thẻ tín dụng (credit card ).
Bảng 5. Các tính chất từ gần đúng của các hạt được sử dụng trong môi
trường ghi từ.
Material
Saturation Polarisation
(mT)
Intrinsic Coercivity
(kAm-1)
Average Particle Size
(mm)
Particle Shape
-Fe2O3
440
30
0.5 x 0.1
Needle
Co modified -Fe2O3
460
60
0.5 x 0.1
Needle
CrO2
600
70
0.4 x 0.05
Needle
Fe
2100
125
0.15 x 0.05
Needle
BaO.6Fe2O3
460
200
0.15 x 0.05
Disc
99
Con đường sản xuất một băng từ hạt được minh họa trong
hình 15. Các hạt từ được trộn với một chất kết dính ( được
hòa tan tromg một dung môi), các chất bôi trơn, sẽ giúp
giảm bớt sự cơ xát khi băng được dịch chuyển trên đầu,
vàcác vật liệu mài ( như là Al2O3), cứng và giúp ngăn cản
sự mòn của màng tử. Hỗn hợp này được rót lên trên một đế
PET ( polyethylene tetraphthalate), có độ dày ~ 25 mm.
Thỉnh thoảng các đế aramid được sử dụng cho các cassette
chơi lâu, bởi vì các đế này có thể mỏng đến 5 mm. Các hạt
là dị hướng từ, thường là do hình dạng của chúng, và giai
đoạn tiếp theo của quá trình là định hướng các hạt này trong
độ dài của băng trong khi lớp từ vẩn là chất lỏng. Sau đó
dung môi được làm bay hơi bằng cách làm nóng băng và
được cán để cải thiện mật độ và để lại lớp từ dày cỡ 3-5mm.
100
Hình 15. Phương pháp chế tạo băng từ hạt.
101
Các đĩa từ.
Việc ghi dữ liệu lên trên một đĩa có ưu việt hiển nhiên so với thời gian truy
nhập, bởi vì đầu có 5thể sẳn sàng di chuyển đến chỗ tương ứng trên đĩa,
trong khi đó một cái băng cần phải được cuốn lại hoặc cuốn tiếp về phía
trước ( advanced). Có hai loại dĩa: mềm (floppy) và cứng (hard). Các
nguyên lý của việc sản xuất và ghi trên các dĩa mềm rất giống với băng từ
hạt, tức là giống như các vật liệu hạt trên đế plastic.
Dĩa cứng được tạo ra trên một đế rắn, thường là nhôm, dày cỡ 2mm. Trên
đế được lắng đọng vài lớp : một lớp dưới để giúp gắn chặt ( ~ 10 nm,
nickel phosphide); một lớp crom (5-10 nm) để kiểm tra sự định hướng và
kích thước hạt của lớp từ; lớp từ 9 50 nm PtCo với các phụ gia khác nhau
Ta, P, Ni, Cr); một lớp phủ ở trên bảo vệ ( chẳng hạn zirconia 10-20 nm)
và chất bôi trơn cuối cùng để làm giảm sự cọ xát và sự bào mòn của đĩa (
chẳng hạn một đơn lớp của fluorocarbon mạch dài ( long chain)). Lớp từ
tạo ra một cấu trúc tế bào của các tế bào từ giàu Co trong một ma trân
không từ tính. Các tế bào này giống hệt như môi trường ghi từ hạt, nhưng
trên phạm vi nhỏ hơn nhiều.
102
Cấu trúc của một đĩa cứng được chỉ ra trên hình 16. Đĩa được
kèm theo một môtơ quay, sẽ quay đĩa; đối với dung lượng trữ
lớn, một vài đĩa có thể được dựng thành một chồng. Các đầu
đọc và ghi được kèm với một cánh tay nhún ( swinging arm)
(mỗi bên đều có), có thể được quét ngang qua đĩa khi sử dụng
một cuộm tiếng.
Hình 16. Sơ đồ
biểu diễn cấu tạo
của một đĩa cứng
.
103
Ghi và đọc các dữ liệu .
Việc ghi dữ liệu được thực hiện khi sử dụng một đầu cảm ứng , như được minh
họa trên hình 17. Việc đọc dữ liệu cũng dùng một đầu cảm ứng hoặc như trong
một đĩa cứng hiện đại , một đầu từ trở khổng lồ (GMR) ( được minh họa trên
hình 17).
104
Quá trình ghi liên quan đến việc đi ngang qua của một dòng điện ( tức
là tín hiệu được ghi) qua một cuộn dây của đầu. Dòng điện phát sinh
một từ trường ở trong khe không khí của một lõi hình chử C và một
trường ở mép rìa ( trong mặt phẳng của băng hoặc đĩa) hướng ra ngoài
khe tới băng hoặc đĩa đang di chuyển qua nó. Trường mép (fringing
field) sẽ thay đổi trạng thái từ của môi trường và nếu các tính chất từ
của môi trường là thích hợp thì cảm ứng còn dư của băng trong vùng
đó sẽ tỷ lệ với lượng dòng điện đặt vào cuộn dây. Đối với tín hiệu
digital, chỉ có hai trạng thái còn dư là đòi hỏi đối với vật liệu và vì vậy,
các yêu cầu về vật liệu không nghiêm ngặt như đối việc ghi analogue,
tuy nhiên kích thước hạt nhỏ hơn là mong muốn cho dung lượng trữ
cao và thời gian truy nhập nhanh hơn.
Quá trình đọc khi thực hiện với một đầu cảm ứng rất giống như
quá trình ghi. Các từ trường hướng ra khỏi băng hay đĩa , cảm ứng
một trường ở trong cuộn hình chữ C của đầu đọc, đến lượt phát sinh
một thế trong cuộn dây. Sau đó thế có thể biến lại thành tín hiệu gốc ,
là dữ liệu audio, visual hay digital.
105
Trong các đĩa cứng hiện đại, các dữ liệu được đọc lại khi sử dụng một đầu
GMR. Yếu tố GMR của đầu đọc biểu hiện những thay đổi trong điện trở
dưới ảnh hưởng của từ trường. Chúng có thể nhạy các từ trường rất thấp và
có một độ phân giải không gian rất cao. Việc sử dụng các đầu GMR là cần
thiết bởi vì mật độ lưu trữ được tăng lên và kích thước đômen từ trong môi
trường nhỏ hơn có nghĩa là cường độ trường tại một độ cao đặc biệt ở trên
bề mặt của môi trường được giảmm xuống. Yếu tố GMR được chỉ ra trên
hình 17 là một loại van spin với 4 lớp: một màng trao đổi phản sắt từ (
chẳng hạn sắt/mangan); một lớp cobalt với hướng của độ từ hóa của nó
được chốt chặt ( pin) bởi màng trao đổi phản sắt từ ( hướng lên trên trong
hình 17); một lớp đồng là vật cách và một lớp nickel/sắt với phương từ hóa
của nó tự do dịch chuyển dưới ảnh hưởng của từ trường từ môi trường ghi.
Lớp từ thế dịch (biasing) từ hóa NiFe trong mặt phẳng của màng và vuông
góc với phương của độ từ hóa của màng Co. Khi phương của độ từ hóa của
màng NiFe dịch chuyển về phía phương của độ từ hóa của Co thì sẽ có một
sự giảm đột ngột của điện trở; khi nó biến mất thì sẽ có một sự tăng điện
trở.
106
Tài liệu tham khảo:
1. David Jiles
Introduction to Magnetism and Magnetic Materials
Published by Chapman & Hall, 2 – 6 Boundary Row,
London SE 1 BHN, UK,1994.
2. Coey J. M. D.
Rare – Earth Iron Permanent Magnet
Clarendon Press Oxford, 1996
3. Gordon E. Fish,
Soft Magnetic Materials, Proceeding of the IEEE,
vol. 78, No5, 1990. pp. 947-972
4. Himpsel F. J.
Magnetic nanostructures
Advances in Physics, 1998, vol 47. No4, pp. 511-597
107