1
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2






TRẦN THÀNH SƠN






NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ
CHẾ TẠO NAM CHÂM ĐẤT HIẾM THIÊU KẾT
TRÊN DÂY CHUYỀN BÁN CÔNG NGHIỆP

Chuyên ngành: Vật lý chất rắn
Mã số: 60 44 01 04







LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: GS. TS Nguyễn Hoàng Nghị








HÀ NỘI, 2014


2

Lời cảm ơn
Lời đầu tiên cho tôi đƣợc gửi lời biết ơn sâu sắc tới GS-TS Nguyễn
Hoàng Nghị đã tận tình hƣớng dẫn em trong quá trình thực hiện luận văn này
trong suốt thời gian dài. Bên cạnh đó cho tôi đƣợc gửi lời cảm ơn tới Trƣờng
Đại Học Sƣ Phạm Hà Nội 2, phòng sau đại học của nhà trƣờng, thƣ viện nhà
trƣờng. Cũng không thể không nhắc tới sự giúp đỡ nhiệt tình của các cán bộ
thƣ viện quốc gia Việt Nam, ban tập thể lãnh đạo, các cán bộ công nhân viên
của công ty HCT, địa chỉ 18/165 Cầu Giấy, Hà Nội. Lời cảm ơn còn gửi tới
những cán bộ, giảng viên của trƣờng Đại Học Bách Khoa Hà Nội; những cán
bộ đang công tác tại phòng thí nghiệm kim loại học của nhà trƣờng. Hoàn
thành luận văn này không thể không nhắc tới sự giúp đỡ của các anh em kỹ sƣ

của công ty xây dựng và lắp đặt điện nƣớc ATZ và cũng rất cảm ơn tới KS Lã
Phú Hà của công ty đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình hoàn thành luận
văn nay. Và cuối cùng cho tôi đƣợc gửi lời cảm ơn tới anh em học viên cao
học K16 của trƣờng ĐH Sƣ Phạm Hà Nội 2 chung sống cùng P55 - KTX 14
của trƣờng đã động viên tôi, giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này!
Hà Nội, ngày tháng năm 2014
Tác giả luận văn


Trần Thành Sơn

3

Lời cam đoan.
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dƣới sự
hƣớng dẫn nghiêm khắc của GS-TS Nguyễn Hoàng Nghị. Các kết quả, những
hình ảnh trong luận văn là do tôi và GS Nguyễn Hoàng Nghị thu thập và lƣu
giữ chƣa hề đƣợc công bố trên bất kỳ một công trình nào hết.

Tác giả luận văn

Trần Thành Sơn


4
MỤC LỤC
Trang phụ bìa 1
Lời cảm ơn 2
Lời cam đoan. 3
MỤC LỤC 4

MỞ ĐẦU 6
1. Lí do chọn đề tài 6
2. Mục đích của đề tài 7
3. Đối tƣợng nghiên cứu 7
4. Nhiệm vụ nghiên cứu 8
5. Phƣơng pháp nghiên cứu 8
6. Dự kiến đóng góp của đề tài 8
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU TỪ CỨNG Nd2Fe14B 9
1.1. Lịch sử phát triển và các loại vật liệu từ cứng. 9
1.2. Cấu trúc và tính chất từ của vật liệu từ cứng Nd
2
Fe
14
B 13
1.2.1. Cấu trúc vi mô của vật liệu từ cứng 13
1.2.2. Một số tính chất cơ bản của vật liệu. 15
1.2.3.Một số đặc trƣng cơ bản của vật liệu từ cứng Nd
2
Fe
14
B 20
1.2.3.1. Độ từ hóa và nhiệt độ Curie 21
1.2.3.2. Từ hóa và sự thay đổi cấu trúc đomen. 22
1.2.3.3. Dịch vách đomen. 24
1.2.3.4. Lực kháng từ
i
Hc và mối liên hệ với cấu trúc tinh thể Nd
2
Fe
14

B 28
1.2.4.Giản đồ trạng thái của vật liệu từ cứng Nd-Fe-B 34
1.2.5. Lực kháng từ
i
H
C
và tích năng lƣợng (BH)
max
38
CHƢƠNG 2: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO NAM CHÂM ĐẤT HIẾM THIÊU
KẾT TRÊN DÂY CHUYỀN BÁN CÔNG NGHIỆP 41
2.1. Mô tả công nghệ chế tạo nam châm trên dây chuyền bán công nghiệp. . 41

5
2.2. Nấu luyện kim loại 41
2.3. Công nghệ nghiền sơ bộ trong từ trƣờng. 47
2.3.1. Giới thiệu về hệ thống nghiền ba cấp. 47
2.3.2. Công đoạn nghiền thô 48
2.3.3. Công đoạn nghiền trung gian 49
2.3.4. Công đoạn nghiền tinh. 51
2.4. Công nghệ ép 54
2.4.1. Công đoạn ép định hình tạo mẫu trong từ trƣờng 54
2.4.2. Công đoạn ép đẳng tĩnh.(Ép bốn phía) 60
2.5. Thiêu kết ở nhiệt độ cao. 62
CHƢƠNG 3: TÍNH CHẤT VÀ CẤU TRÚC VI MÔ CỦA NAM CHÂM ND-
FE-B SAU THIÊU KẾT 67
3.1.1. Cơ chế lƣ̣ c khá ng từ của nam châm NdFeB thiêu kết 67
3.1.2. Lƣ̣ c giƣ̃ a nam châm và vậ t sắ t tƣ̀ . 70
3.2. Vật liệu phát ra từ trƣờng – nam châm vĩnh cửu, vật liệu từ cứng 71
Kết luận 72

TÀI LIỆU THAM KHẢO 73


6
MỞ ĐẦU
1. Lí do chọn đề tài
Một loại vật liệu quan trọng không thể thiếu đƣợc trong hầu hết các thiết
bị chuyển đổi các dạng năng lƣợng nhƣ năng lƣợng gió, nƣớc thành năng
lƣợng điện là nam châm vĩnh cửu (NCVC). Nam châm vĩnh cửu đƣợc sử
dụng ở dạng đơn giản trong các thiết bị nhƣ: động cơ, máy phát, khởi động
điện từ, loa điện động… và trong các linh kiện công nghệ cao nhƣ: các cảm
biến, đĩa ghi từ mật độ cao, vi khởi động điện từ v.v…
Vật liệu từ cứng đƣợc sử dụng làm nam châm vĩnh cửu, ứng dụng trong rất
nhiều lĩnh vực khác nhau của đời sống và kỹ thuật. Có rất nhiều loại nam
châm vĩnh cửu đƣợc phát hiện, nghiên cứu và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực
với nhiều mục đích khác nhau. Trong thế giới phong phú của các loại nam
châm vĩnh cửu, nam châm đất hiếm đang giữ một vai trò quan trọng hàng đầu
do các phẩm chất từ rất tốt của nó. Ngày nay, hai họ nam châm chứa đất hiếm
đƣợc sử dụng nhiều nhất là Sm-Co và Nd-Fe-B. Họ nam châm vĩnh cửu Sm-
Co dựa trên hai pha từ cứng SmCo
5
và Sm
2
Co
17
có từ tính khá tốt và nhiệt độ
Curie cao. Tuy nhiên, Co là nguyên tố khá đắt và là vật liệu mang tính chất
chiến lƣợc. Việc phát hiện ra pha từ cứng Nd
2
Fe

14
B bởi Croat và cộng sự
(Mỹ), Sagawa và cộng sự (Nhật) vào năm 1983 đƣợc xem là một bƣớc đột
phá lớn trong lịch sử phát triển của nam châm vĩnh cửu, không chỉ do tính
chất từ rất tốt của nó mà còn do trữ lƣợng các nguyên tố Nd và Fe trong vỏ
Trái Đất rất lớn so với các nguyên tố đất hiếm và kim loại chuyển tiếp khác.
Ở Việt Nam, ngay sau khi phát minh vật liệu từ Nd-Fe-B đƣợc
công bố, nó đã đƣợc các phòng thí nghiệm quan tâm nghiên cứu về
thành phần hoá học cũng nhƣ các đặc điểm công nghệ. Ngày nay loại vật liệu
này vẫn tiếp tục đƣợc chú ý, đặc biệt là vật liệu từ Nd
2
Fe
14
B. Điều này đƣợc
thể hiện qua nhiều báo cáo tại các hội nghị chuyên đề và trên các tạp chí của

7
nhiều nhóm tác giả nhƣ: nhóm nghiên cứu ở Đại học Quốc gia Hà Nội, nhóm
của trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội và nhóm nghiên cứu của Viện Khoa
học Vật liệu.
Để chế tạo nam châm vĩnh cửu dựa trên nền vật liệu đất hiếm có hai
phƣơng pháp cơ bản là phƣơng pháp thiêu kết và phƣơng pháp kết dính. Nam
châm vĩnh cửu đƣợc làm từ đất hiếm bằng phƣơng pháp thiêu kết tuy công
nghệ chế tạo phức tạp và khó tạo dáng nhƣng lại có lực kháng từ lớn, tích
năng lƣợng từ cực đại cao hơn hẳn so với tạo ra bằng phƣơng pháp khác.
Trong nam châm thiêu kết các hạt từ có kích thƣớc vài micromet đƣợc liên
kết nhau bởi một pha phi từ giàu Nd ở biên hạt. Nam châm này có tính dị
hƣớng cao, tích năng lƣợng cực đại (BH)
max
khá lớn. Kỉ lục (BH)

max
hiện nay
trên thế giới đạt đƣợc trong phòng thí nghiệm là 59 MGOe, đạt 92% giá trị
(BH)
max
lí thuyết (64 MGOe). Ở Việt Nam, nam châm vĩnh cửu làm từ Nd-
Fe-B cũng rất đƣợc quan tâm nghiên cứu chế tạo, xong chất lƣợng sản phẩm
mới chỉ đạt khoảng hơn 50% theo mô hình lí thuyết và công nghệ chế tạo
chƣa ổn định, chƣa ứng dụng đƣợc trong thực tế.
Với công nghệ hiện thời, để chế tạo đƣợc nam châm thiêu kết Nd-Fe-B có
chất lƣợng cao thì cần có lực kháng từ H
c
lớn và tích năng lƣợng từ (BH)
max

cao.
Từ những lý do trên chúng tôi quyết định chọn đề tài nghiên cứu luận văn:
”Nghiên cứu công nghệ chế tạo nam châm đất hiếm bằng phương pháp
thiêu kết trên dây truyền bán công nghiệp”
2. Mục đích của đề tài
 Nghiên cứu ảnh của các điều kiện công nghệ tới tính chất từ của nam
châm đất hiếm thiêu kết Nd-Fe-B
3. Đối tƣợng nghiên cứu
 Nam châm đất hiếm Nd-Fe-B.

8
 Các điều kiện công nghệ để chế tạo nam châm này
4. Nhiệm vụ nghiên cứu
- Nghiên cứu các công đoạn công nghệ chế tạo nam châm Nd- Fe-B thiêu
kết:

 Nghiền, ép bột trong từ trƣờng
 Ảnh hƣởng môi trƣờng trong quá trình chế tạo nam châm
5. Phƣơng pháp nghiên cứu
- Luận văn đƣợc tiến hành bằng phƣơng pháp nghiên cứu thực
nghiệm:
 Nghiên cứu các công đoạn chế tạo nam châm thiêu kết Nd-Fe-B
 Khảo sát đo đạc một số tính chất của nam châm
6. Dự kiến đóng góp của đề tài
Xác định các điều kiện công nghệ trên dây truyền bán công nghiệp để
nhận đƣợc nam châm Nd-Fe-B thiêu kết có chất lƣợng tốt.

9
CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU TỪ CỨNG Nd
2
Fe
14
B

1.1. Lịch sử phát triển và các loại vật liệu từ cứng.
Ngƣời Trung Hoa từ xa xƣa đã phát hiện ra nam châm tự nhiên và dùng
chúng làm la bàn. Nam châm đó là ferit thiên nhiên hoặc (Fe0. ).
Khi - (phản ứng sắt từ) bị oxy hóa mạnh, xảy ra phản ứng →
, sau đó các tia sét tự nhiên tạo từ trƣờng và từ hóa chúng. Nam châm cổ
này có ~ 0,2 T và ~ vài kA/m (nam châm hiện đại ngày nay có ~ 1T
và ~ vài ngàn kA/m).










Hình 1.1. Đường cong khử từ, từ dư và lực kháng từ của các loại nam
châm (sơ đồ bán định lượng).

1600


1200


800


400


kA/m


0,5


1.0


Alnico


NdFeB

Sm
2
Co
17


SmCo
17

Ba-ferit

M
(T)

10








Hình 1.2. Hai loại nam châm: (a) Khi đi dị hướng tinh thể là quyết
định, đường M=M(H) có dạng chữ nhật, đường B=B(H) là đường thẳng, vì
vậy
M

H
C
<<
B
H
C
~ B
r
. Đường thẳng B = H+ M (M = const) có hệ số góc
bằng 1, vậy (ferit bari hay RC
o
có M khác nhau, nhưng ).
(b) Khi di dị hướng hình dạng (N
a
– N
c
) quyết định, lực kháng từ
M
H
C
~ M
S

(Alinco, Cunife…)
M
H
C
≈
B
H

C
<< B
r
. Các con số trên hình (a) là của ferit
bari.
Trong 100 năm gần đây, ngƣời ta đã nghiên cứu và chế tạo ra nhiều loại
nam châm khác nhau: về thành phần, từ các hợp kim đến các oxit; về công
nghệ, từ công nghệ đúc, cán đến công nghệ luyện kim bột hay công nghệ gốm
và công nghệ nguội nhanh, công nghệ màng mỏng… Nếu coi chỉ số tổng hợp
nhất đối với nam châm là tích năng lƣợng cực đại (BH)
max
thì trong hơn một
trăm năm qua tích năng lƣợng đã tăng từ một vài MGO
e
hồi đầu thế kỉ XX
đến 40/50 MGO
e
vào cuối thế kỷ này. Tóm tắt các loại nam châm và tích
năng lƣợng cực đại của chúng đƣợc mô tả rất cụ thể. Trên hình 1.1. Có thể
thấy các đƣờng cong khử từ, các giá trị từ dƣ B
R
và lực kháng từ H
C
của các
loại nam châm (hai tính chất quan trọng của nam châm). Nam châm NdFeB
thiêu kết có tính năng lƣợng (BH)
max
cao nhất song AlNiCo lại có độ từ dƣ B
R


cao nhất và SmCo
5
có lực kháng từ cao nhất.
~0,8T=8000Oe

~0,4T=4000Oe
(BH)
max

B(H)
M(H)
-0,4(T)
B
H
C

M
H
C

B
R

~0,1T=1000Oe

M
H
C

B

H
C

B(H)
M(H)
B
R
~1,2(T)
(a) Ferit Bari
(hoặc RCo)

(b) Alnico

11

Có thể phân loại các loại nam châm thành 2 nhóm theo cơ chế lực kháng
từ H
C
. Chúng ta đã thấy rằng có 2 cơ chế chính đối với lực kháng từ: (i) H
C

đƣợc xác định bởi dị hƣớng từ tinh thể K
1
và (ii) H
C
đƣợc xác định bởi dị
hƣớng hình dạng N nhƣ sau:
H
C
~ 2K

1
/µ
0
M
S
và H
C
~ (N
a
- N
b
)M
S

Các loại vật liệu từ cứng đều đƣợc thiết kế dựa trên hai quan hệ này và vì
vậy theo cơ chế lực kháng từ, chúng gồm: (a). Dị hƣớng tinh thể lớn. Cấu trúc
ô mạng đối xứng thấp (tỷ số trục c/a lớn), quỹ đạo điện tử từ có đối xứng thấp
thƣờng có dị hƣớng tinh thể thấp thƣờng có dị hƣớng tinh thể K
1
cao (ferit lục
giác, nam châm đất hiếm, PtCo….) (b) Dị hƣớng hình dạng lớn. Khi các hạt
tinh thể nhỏ tới mức tạo đơn đomen, cơ chế xoay là chủ đạo. Các hạt tinh thể
có dạng sao cho trục c ≠ a dẫn đến hệ số khử từ khác nhau theo hai trục này
và điều đó làm tăng H
C
. Alnico bao gồm các hạt sắt từ β. Kích thƣớc nhỏ
đƣợc bao bọc bởi pha phi từ vì vậy cơ chế xoay vecto từ độ và dị hƣớng hình
dạng là các cơ chế áo đảo trong việc xác lập H
C
. Hợp kim cứng Alnico,

Cunife cũng có H
C
lớn do cơ chế này.






Hình 1.3. Trường dị hướng H
a
= 2K
1
/µ
0
M
S
(~
M
H
C
) được xác định bởi
tương quan giữa M
S
và K
1
. Fe có H
C
nhỏ nhưng M
S

lớn, Ferit Ba có H
C

lớn, nhưng M
S
nhỏ. Chất X có H
C
rất lớn, nhưng M
S
rất nhỏ nên không sử
dụng được (sơ đồ).

+ Fe


100


- 1000


10.000



M

- 400



+ C


Yco+
+


+ Ferrit Ba


+ X


K
1


12

Trƣờng hợp dị hƣớng tinh thể là quyết định, K
1
lớn (ferit Ba, nam châm
đất hiếm thiêu kết), trong quá trình từ hóa (theo phƣơng trục dễ), vecto từ độ
M
S
không đổi cho tới khi từ trƣờng ngoài H đủ lớn để lật M
S
về phƣơng H, vì
vậy đƣờng khử từ có dạng hình chữ nhật, M = const cho tới khi H =
M

H
C
. Vì
từ độ B ~ H+M nên đồ thị hàm B=B(H) có dạng đƣờng thẳng. Hệ quả là:
M
H
C
>>
B
H
C
~ B
R
và tích năng lƣợng cực đại bằng:
(BH)
max
=(H
C
/2). (B
R
/2) = µ
0
H
C
M
S
/4 = µ
0
M
2


S
/4 (hệ SI)
Lực kháng từ H
C
theo cơ chế xoay vecto từ độ H
C
~ 2K
1
/µ
0
M
S
(đại
lƣợng này cũng có tên là trƣờng dị hƣớng, H
a
). Vì vậy H
C
có thể rất lớn nếu
M
S
và K
1
đều nhỏ, tuy nhiên M
S
nhỏ làm mất khả năng sử dụng của vật liệu
loại này. Trên hình có thể thấy các đƣờng cong có H
C
~ 2K
1

/µ
0
M
S
= const.
YCo và hợp kim X (giả định) đều có H
C
lớn ~ 10.000A/m, tuy nhiên hợp kim
X không dùng đƣợc do có M
S
quá nhỏ.
Trƣờng hợp dị hƣớng hình dạng là quyết định (Alnico), có:

M
H
C
≈
B
H
C
<< B
R

Qua phân tích trên có thể thấy rằng, dị hƣớng tinh thể có ảnh hƣởng lớn
hơn so với dị hƣớng hình dạng trong các việc xác định lực kháng từ H
C
. Đấy
là lý do vì sao Alnico có lực kháng từ H
C
nhỏ. Các hạt sắt từ β có ô mạng lập

phƣơng, đối xứng cao, K
1
không lớn, vì vậy cơ chế kháng từ và H
C
đƣợc
quyết định do dị hƣớng hình dạng của các hạt β hình kim. Trong bảng 9.1 lực
kháng từ của hạt sắt Fe do K
1
là ~ 40kA/m. Do dị hƣớng hình dạng là
~800kA/m và thông thƣờng Fe đƣợc coi là vật liệu từ mềm (trừ trƣờng hợp
nam châm chế tạo bằng bột Fe mịn, hình kim có dị hƣớng hình dạng cao).
Nhìn lại hơn 10 năm phát triển của nam châm vĩnh cửu có thể có các
nhận xét sau: (i) Chủng loại các nam châm rất đa dạng về tính chất (hoặc H
C

lớn hoặc B
R
hoặc (BH)
m
lớn ), về công nghệ chế tạo (luyện kim truyền thống:

13
đúc, cán; luyện kim bột; nguội nhanh; gốm), về thành phần (hợp kim, oxit, về
quy mô sản xuất. (ii) Trong số các loại nam châm khác nhau, có 4 loại rất
quan trọng đƣợc sử dụng nhiều nhất, đó là ferit từ cứng (1952), Alnico
(1932), SmCo (1970) và NdFeB (1983). Năm 1988, ferit Ba chiếm trên 60%
giá trị và 97% khối lƣợng trong tổng số các loại nam châm đƣợc sản xuất. Các
loại nam châm khác có quy mô sản xuất nhỏ hoặc rất nhỏ và chỉ dùng trong
một số ít trƣờng hợp. Đấy là thép C, thép Cr, Co (1900), hợp kim FeCoMo
(1934), Cunife (1935), PtCo (1936) CoFeV (vicalloy, 1940)…(iii) Hai tính

chất của nam châm đƣợc chú ý là: tích năng lƣợng cực đại (BH)
m
. Đây là đại
lƣợng phản ánh các tính chất tổ hợp của nam châm. Đại lƣợng này tăng trên
50 lần từ một vài MGOe (đầu thế kỷ XX) đến trên 50 MGOe (những năm 90
của thế kỷ XX). Đại lƣợng thứ hai là lực kháng từ H
C
. Đây là đại lƣợng bảo
đảm tính vĩnh cửu của nam châm. Trong thế kỷ XX, đại lƣợng này cũng tăng
cỡ 50 lần. Đồ thị trên cho thấy các đại lƣợng H
C
và (BH)
max
của các loại vật
liệu khác nhau. (iv) Mỗi loại vật liệu có tính chất nổi trội riêng, thí dụ trong số
các loại nam châm, NdFeB có tích năng lƣợng lớn nhất nhƣng SmCo lại có
lực kháng từ lớn nhất. Nhƣ vậy bằng cách chọn thành phần có thể nhận đƣợc
các tính chất mong muốn. Tuy nhiên các tính chất từ kỷ lục đều thuộc các loại
nam châm đất hiếm hoặc NdFeB và SmCo. Nói nhƣ vậy không có nghĩa là
các loại nam châm khác không có các ƣu thế. Thí dụ hợp kim Alnico có độ dƣ
từ rất lớn (1,4 T) và có nhiệt độ Curie rất lớn (T
C
~ 800
0
C, nhiệt độ làm việc ~
500
0
C), đấy là chƣa kể chi phí sản xuất, về mặt này ferit Ba luôn là loại nam
châm rẻ nhất.
1.2. Cấu trúc và tính chất từ của vật liệu từ cứng Nd

2
Fe
14
B
1.2.1. Cấu trúc vi mô của vật liệu từ cứng
Hợp kim Nd
2
Fe
14
B thuộc nhóm 2:14:1, có cấu trúc tinh thể tứ giác với
hằng số mạng a = 0,878 nm và c = 1,220 nm, thuộc nhóm không gian

14
P4
2
/mnm, khối lƣợng riêng 7,55 g/cm
3
. Cấu trúc tinh thể của hợp kim
Nd
2
Fe
14
B đƣợc mô tả trên hình 1.4a.












Hình 1.4. Cấu trúc tinh thể của hợp kim Nd
2
Fe
14
B (a), nguyên tử B và 6
nguyên tử Fe (vị trí e và k
1
) tạo thành hình lăng trụ đứng đáy tam giác (b)
Pha Nd
2
Fe
14
B có cấu trúc khá ổn định vì trong mỗi ô cơ sở có 68
nguyên tử chứa trong 4 đơn vị công thức Nd
2
Fe
14
B. Các nguyên tử Nd chiếm
2 vị trí (ký hiệu là Nd f, Nd g) không tƣơng đƣơng, các nguyên tử Fe chiếm 6
vị trí (ký hiệu là Fe c, Fe e, Fe j1, Fe j2, Fe k1, Fe k2), các nguyên tử B chiếm
vị trí B g. Trên mặt phẳng cơ sở z = 0 và z = 1/2 chứa tất cả các nguyên tử Nd
và B cùng 4 nguyên tử Fe ở vị trí Fe c. Mỗi nguyên tử B kết hợp với 6 nguyên
tử Fe (ở vị trí Fe e và Fe k1) gần nó nhất tạo hình lăng trụ đáy tam giác hình
1.4b. Các lăng trụ này nối với lớp Fe ở bên trên và ở bên dƣới các mặt phẳng
cơ sở. Cấu trúc tinh thể với độ bất đối xứng rất cao tạo ra tính từ cứng mạnh
của vật liệu này. Nhờ sự sắp xếp này mà cấu trúc tinh thể của hợp kim

Nd
2
Fe
14
B đƣợc ổn định.


a)
b)
Z=0
Z=1/2

15
1.2.2. Một số tính chất cơ bản của vật liệu.
Pha Nd
2
Fe
14
B có dị hƣớng từ tinh thể K
1
= 4,9.10
6
J/m
3
, từ độ bão hòa
μ
0
M
s
= 1,61 T và nhiệt độ Curie T

C
= 585K (312
o
C). Các thông số cấu trúc và
tính chất nội tại này của hợp kim Nd
2
Fe
14
B cho phép chế tạo nam châm thiêu
kết có tích
năng
lƣợng từ cực đại (BH)
max
lớn. Đây là loại nam châm vĩnh cửu
cực mạnh, có khả năng cho từ dƣ lên tới 1,4 T, nhƣng có nhƣợc điểm là có
tính ôxy hóa cao (do hoạt tính của Nd), nhiệt độ hoạt động thấp và giá thành
đắt (do chứa nhiều đất hiếm). Bảng 1.1 so sánh từ tính của nam châm Nd-Fe-
B với các loại nam châm thông thƣờng khác.
Bảng 1.1. Tính chất từ của một số loại nam châm
Nam châm
M
r
(kG)
H
ci

(kOe)
BH
max
(MGOe)

T
C

(°C)
Nd
2
Fe
14
B (thiêu kết)
10÷14
9,4÷25
25÷57
310
Nd
2
Fe
14
B (kết dính)
6÷7
7,5÷15
7,5÷12,5
310
SmCo
5
(thiêu kết)
8÷11
7,5÷25
15÷25
720
Sm(Co, Fe, Cu, Zr)

7
(thiêu
kết)
9÷11,5
5,6÷16,2
18,7÷30
800
Alnico (thiêu kết)
6÷14
3,4
1,2÷11
700
Sr-ferrite (thiêu kết)
2÷4
1,2÷3,7
1,2÷5
450
Tính chất từ của vật liệu đƣợc quy định bởi tính chất từ nội tại và tính
chất từ ngoại lai. Tính chất từ nội tại bao gồm từ độ bão hòa M
s
, nhiệt độ
Curie T
C,
tính dị hƣớng từ. Tính chất từ ngoại lai bao gồm lực kháng từ H
c
, từ
độ dƣ M
r
, độ vuông đƣờng trễ và tích năng lƣợng cực đại (BH)
max

.
* Tính chất từ nội tại
Tính chất từ nội tại nhƣ từ độ bão hòa, nhiệt độ Curie T
C
và tính dị
hƣớng từ v.v. đƣợc xác định bởi thành phần hóa học và cấu trúc tinh thể. Hay

16
có thể nói mômen từ của các nguyên tử và tƣơng tác giữa chúng trong mạng
tinh thể đã tạo lên tính chất từ nội tại cho vật liệu.
Sự xuất hiện từ độ bão hòa trong tinh thể sắt từ là do tƣơng tác trao đổi
giữa các nguyên tử thành phần làm cho các mômen từ định hƣớng song song
nhau, năng lƣợng tƣơng tác này đƣợc đánh giá qua hằng số trao đổi. Giá trị từ
độ bão hòa khoảng 1,6T trong vật liệu Nd
2
Fe
14
B tại nhiệt độ phòng là do cả
hai phân mạng đất hiếm và sắt cùng đóng góp vào .
Hirosawa và cộng sự đã nghiên cứu sự phụ thuộc của từ độ vào nhiệt độ
của các đơn tinh thể RE
2
Fe
14
B. Kết quả cho thấy, nhiệt độ T
C
chịu ảnh hƣởng
bởi tƣơng tác giữa các ion trong vật liệu. Trong hợp chất RE
2
Fe

14
B tồn tại 3
tƣơng tác chính là tƣơng tác giữa các ion đất hiếm (RE-RE), tƣơng tác giữa ion
đất hiếm và ion kim loại chuyển tiếp (RE-TM) và tƣơng tác giữa các ion kim loại
chuyển tiếp (TM-TM). Với hợp chất RE
2
Fe
14
B, tƣơng tác RE-TM là tƣơng tác
quyết định nhiệt độ Curie (T
C
). Nhiệt độ Curie của các hợp chất này là khá
thấp, cỡ 585K cho Nd
2
Fe
14
B .
Dị hƣớng từ tinh thể cũng là một
thông số rất quan trọng với tính chất từ
nội tại của vật liệu từ cứng, bởi nó là
một yếu tố quyết định lực kháng từ cao
hay thấp. Dị hƣớng từ tinh thể là năng
lƣợng liên quan đến sự định hƣớng của
các mômen từ và đối xứng tinh thể của
vật liệu. Do tính dị hƣớng của cấu trúc
tinh thể, sẽ có sự khác nhau về khả
năng từ hóa khi ta từ hóa theo các
phƣơng khác nhau, dẫn đến việc vật liệu có phƣơng dễ từ hóa, gọi là trục dễ
(từ hóa) và phƣơng khó từ hóa (gọi là trục khó). Năng lƣợng dị hƣớng từ tinh


Hình 1.5. Sơ đồ mô tả năng lượng dị
hướng từ tinh thể của tinh thể sắt từ
.

17
thể là năng lƣợng cần thiết để quay mômen từ trục khó sang trục dễ. Năng
lƣợng từ hóa theo trục dễ là nhỏ nhất, trong khi năng lƣợng từ hóa theo trục
khó là lớn nhất. Diện tích giới hạn bởi đƣờng cong từ hóa khó và từ hóa dễ là
đại lƣợng đặc trƣng cho năng lƣợng dị hƣớng từ tinh thể của mẫu. Nói một
cách khác năng lƣợng dị hƣớng là năng lƣợng cần thiết do từ trƣờng ngoài
cung cấp để chuyển dời mô men từ hƣớng từ hóa dễ sang hƣớng từ hóa khó.
Năng lƣợng dị hƣớng từ tinh thể có thể viết một cách tổng quát :
E
a
= K
0
+K
1
(
2
1

2
2
+ 
2
2

2
3

+ 
2
3

2
1
) + K
2

2
1

2
2

2
3
, (1.1)
Với K
0
, K
1
và K
2
là các hằng số dị hƣớng, có thứ nguyên năng lƣợng.

1,

2,
và 

3
là cosin chỉ phƣơng của M
s
đối với các trục tinh thể x, y và z
tƣơng ứng.
Tính chất từ nội tại của một số hợp chất có cấu trúc kiểu Nd
2
Fe
14
B
đƣợc liệt kê trong bảng 1.2.
Bảng 1.2. Một số tính chất từ nội tại của một số hợp chất kiểu Nd
2
Fe
14
B ở
nhiệt độ phòng, bao gồm: hằng số mạng, nhiệt độ Curie T
C
, từ độ bão hòa M
S
,
hằng số dị hướng từ K
1
, trường dị hướng H
A
và thế năng trường tinh thể
0
2
A
.

Hợp chất
a
(pm)
C
(pm)
T
C

(K)

0
M
s

(T)
K
1

(MJ/m
3
)

0
H
A

(T)
<
0
2

A
>
(Ka
0
-2
)
Y
2
Fe
14
B
876
1203
566
1,44
1,1
2,0
-
Pr
2
Fe
14
B
880
1223
565
1,55
5,0
8,0
178

Nd
2
Fe
14
B
879
1218
585
1,61
4,9
7,6
306
Sm
2
Fe
14
B
879
1211
621
1,51
-12
12,5
300
Dy
2
Fe
14
B
856

1199
598
0,72
12,5
27,8
295
Nd
2
Fe
14
C
881
1205
545
1,52
4,5
7,4
250
Y
2
Co
14
B
860
1171
1015
1,00
-1,4
3,5
-

Nd
2
Co
14
B
863
1185
1007
1,06
2,2
5,2
-

18
Bản chất của hiện tƣợng dị hƣớng từ tinh thể là do tƣơng tác trao đổi
cùng với đối xứng trƣờng tinh thể và tƣơng tác spin-quỹ đạo. Để nghiên cứu
dị hƣớng từ trong vật liệu RE
2
Fe
14
B cần phải sử dụng hàm Hamiltonian chứa
các số hạng trƣờng tinh thể H
CR
cũng nhƣ các số hạng trao đổi H
ex
.
* Tính chất từ ngoại lai
Tính chất từ ngoại lai nhƣ lực kháng từ H
c
, từ độ dƣ M

r
, độ vuông đƣờng
trễ và tích năng lƣợng cực đại (BH)
max
đƣợc xác định bởi cấu trúc tinh thể và vi
cấu trúc, tức là hình dạng, kích thƣớc hạt, tính đồng nhất và sự phân bố của
chúng trong vật liệu.
Lực kháng từ H
c
là giá
trị từ trƣờng ngƣợc cần đặt
vào để triệt tiêu từ độ dƣ. Lực
kháng từ đƣợc xác định từ
đƣờng cong từ trễ của vật liệu
(hình 1.6). Cơ chế tạo lực
kháng từ liên quan đến cơ chế
từ hóa và đảo từ của vật liệu,
hay nói cách khác là liên quan
đến sự thay đổi của cấu trúc
từ và bị ảnh hƣởng mạnh bởi
cấu trúc hạt của vật liệu. Yếu
tố lớn nhất chi phối lực kháng
từ là dị hƣớng từ tinh thể và tùy từng loại vật liệu mà lực kháng từ có thể phụ
thuộc khác nhau vào yếu tố này. Đối với các vật liệu từ có cấu trúc đơn đômen,
cấu trúc đơn đômen là cấu trúc không có vách đômen nên không có các quá
trình dịch chuyển vách hay hãm các vách đômen trong quá trình từ hóa. Vì thế,
quá trình từ hóa và khử từ trong vật từ có cấu trúc đơn đômen là quá trình quay

Hình 1.6. Các đường cong đặc trưng: từ
độ và cảm ứng từ phụ thuộc vào từ trường

ngoài của vật liệu sắt từ.


19
kết hợp các mômen từ. Vì thế, lực kháng từ tạo ra là do đóng góp bởi 3 yếu tố
dị hƣớng: dị hƣớng từ tinh thể, dị hƣớng từ hình dạng và dị hƣớng từ do sự bất
đồng nhất cấu trúc :
1
12
()
s
cs
ss
K
H b N N I c
II



   

với K
1
là hằng số dị hƣớng từ tinh thể bậc một; N1,N2 là thừa số khử từ đo
theo 2 phƣơng khác nhau; λs, τ lần lƣợt là từ giảo bão hòa và ứng suất nội; a,
b, c là các hệ số phần trăm đóng góp của từng số hạng.
Tuy nhiên, kích thƣớc hạt đóng vai trò quyết định giá trị lực kháng từ
trong mẫu cả với vật liệu thiêu kết Nd-Fe-B và vật liệu nanocomposite Nd-Fe-
B. Vấn đề này sẽ đƣợc trình bày kỹ vào phần sau.
Tích năng lƣợng cực đại (BH)

max
là năng lƣợng từ lớn nhất có thể dự trữ
trong một đơn vị thể tích, liên quan đến khả năng sản sinh từ trƣờng của vật liệu
từ. Tích năng lƣợng cực đại (BH)
max
là một tham số quan trọng dùng để đánh giá
phẩm chất VLTC. Tích năng lƣợng từ cực đại đƣợc xác định trên đƣờng cong
khử từ B(H) (hình 1.6). Tích năng lƣợng từ là tham số dẫn xuất, phụ thuộc vào
các tính chất từ nội tại của vật liệu, thƣờng mang ý nghĩa ứng dụng.
Về mặt lý thuyết, giới hạn của (BH)
max
xác định bởi biểu thức:

2
max
0
()
4
r
J
BH


(1.3)
Trong đó, J
r
là độ từ dƣ, 
0
là độ từ thẩm trong chân không. Từ phƣơng trình
(1.3) có thể thấy rằng để làm tăng (BH)

max
thì cần phải nâng cao J
r
, . Tuy
nhiên, J
r
cao chƣa hẳn đã tạo đƣợc nam châm có (BH)
max
lớn mà cần phải kết
hợp thêm các yếu tố khác nhƣ lực kháng từ nội tại H
cj
và độ vuông góc của
đƣờng cong khử từ. Đối với nam châm là tập hợp các hạt đơn miền, đơn trục,
không tƣơng tác, lý thuyết Stoner-Wohlfarth đã chứng tỏ rằng J
r
/J
s
= 0,5 (tỷ
số này gọi là độ từ dƣ rút gọn, ký hiệu là m
r
), trong đó J
s
là từ độ bão hoà.
(1.2)


20
Từ dƣ M
r
là giá trị từ độ còn giữ đƣợc khi ngắt từ trƣờng (H = 0),

thƣờng đƣợc ký hiệu là M
r
hoặc I
r
. Từ dƣ không phải là thông số mang tính
chất nội tại của vật liệu mà chỉ là thông số dẫn xuất, phụ thuộc vào các cơ chế
từ trễ, các phƣơng từ hoá, hình dạng vật liệu từ Tỉ số giữa từ dƣ và từ độ
bão hòa M
r
/M
s
đƣợc gọi là từ độ rút gọn hoặc hệ số chữ nhật của đƣờng cong
từ trễ (giá trị M
r
/M
s
càng gần 1 thì đƣờng cong từ trễ càng tiến tới dạng hình
chữ nhật).
1.2.3. Một số đặc trƣng cơ bản của vật liệu từ cứng Nd
2
Fe
14
B
Thị trƣờng vật liệu từ và nam châm vĩnh cửu trên toàn thế giới hiện nay
thể hiện gần đúng bằng giản đồ trên hình


Hình 1.7. Biểu đồ biểu diễn thị trường vật liệu từ và nam châm vĩnh cửu .
Trong tỷ phần 20% của sản phẩm nam châm vĩnh cửu thì nam châm Nd-
Fe-B chiếm tới 30%, với tốc độ tăng trƣởng trung bình hàng năm cỡ 15-20%.

Con số đó là không nhỏ nếu tính đến sự ra đời rất muộn của loại vật liệu này.
Lý do thu hút sự chú ý và tăng trƣởng nhanh của vật liệu Nd-Fe-B là do
chúng có giá trị từ độ bão hòa J
s
lớn (1.61 T tại nhiệt độ phòng so với 1.28 T
của Sm
2
Co
17
) và trƣờng dị hƣớng tinh thể cao (7.6 T so với 6.5 T của
Sm
2
Co
17
). Cũng chính vì vậy mà công nghệ chế tạo nam châm vĩnh cửu dựa
trên cơ sở loại vật liệu này đã nhanh chóng đƣợc hoàn thiện, khiến các sản
phẩm nam châm có hệ số vuông góc đạt xấp xỉ giá trị cực đại (Y

l), dẫn đến
tích năng lƣợng từ (BH)
max
của chúng cao nhất trong các loại nam châm vĩnh
cửu hiện có (đã đạt xấp xỉ 440 kJ/m
3
, giới hạn lý thuyết là 512 id/m
3
) [35],
[48], [108] và tăng độ tuyến tính của đƣờng khử từ B(H) nằm trong cung phần
tƣ thứ hai của đƣờng từ trễ, hệ quả là làm cho các công đoạn thiết kế mạch từ


21
sử dụng nam châm Nd-Fe-B trở nên dễ dàng hơn. Ngoài ra, do trong thành
phần của nam châm Nd-Fe-B chủ yếu là chứa sắt (72.3% trọng lƣợng),
nguyên tố đất hiếm Nd chỉ chiếm 26.7% trọng lƣợng. Hơn nữa bản thân Nd
cũng không phải là hiếm (chiếm tới 16% trong tổng số các nguyên tố đất
hiếm), nên giá thành trên 1kJ/m
3
của tích năng lƣợng từ của nam châm Nd-
Fe-B là rẻ nhất. Do tất cả những đặc điểm đó nên mặc dù còn bị hạn chế duy
nhất bởi nhiệt độ làm việc không cao (cỡ khoảng 200°C do nhiệt độ Curie T
c

thấp ~312°C), nam châm Nd-Fe-B, kể từ lúc ra đời vào năm 1983 cho đến tận
ngày nay, luôn luôn thu hút đƣợc sự chú ý nhiều nhất.
Dƣới đây, ta sẽ xem xét một cách khái quát một số đặc trƣng bản chất
của vật liệu từ cứng Nd
2
Fe
14
B làm cho loại vật liệu này có phẩm chất từ tính
tốt và gây đƣợc sự chú ý đến nhƣ vậy.
1.2.3.1. Độ từ hóa và nhiệt độ Curie
Đối với vật liệu từ cứng ngoài việc có giá trị trƣờng khử từ lớn để tự tồn tại
trong từ trƣờng ngoài, còn đòi hỏi phải có từ độ lớn và khả năng tồn tại trật tự từ
tại nhiệt độ cao (tức là có nhiệt độ Curie lớn) để có thể nâng cao nhiệt độ làm
việc của mình. Một nguyên nhân sâu xa làm tăng từ độ và nhiệt độ Curie là
tƣơng tác trao đổi mạnh giữa các mômen từ của các nguyên tử trong ô cơ sở.

Hình 1.8. Thí nghiệm Stern-Gerlach xác định giá trị spin của
nguyên tử Hydro .


Từ độ J
s
của vật liệu là tổng không tuyến tính của các mômen từ của các
nguyên tử trong ô mạng cơ sở chia cho thể tích của ô cơ sở. Điểm xuất phát

22
của J
s
chính là mômen từ của các nguyên tử riêng rẽ và sự kết hợp giữa chúng
để tạo ra từ độ của vật liệu. Liên quan chặt chẽ đến giá trị từ độ của vật liệu
chính là độ cảm ứng từ dƣ B
r
của sản phẩm nam châm. Cấu trúc vi mô của
một nam châm thiêu kết càng hoàn hảo thì giá trị của B
r
càng gần đến giá trị
của J
s
.
1.2.3.2. Từ hóa và sự thay đổi cấu trúc đomen.
- Từ hóa chất sắt từ bao gồm hai quá trình (1) dịch vách đomen và (2)
xoay vecto từ độ. Kết quả của của quá trình từ hóa là làm cho vecto từ độ M
s
của toàn bộ chất sắt từ song song với nhau và với từ trƣờng H.
Hình 1.8 cho thấy đƣờng cong từ hóa hay nói cách khác là đƣờng cong
cảm ứng từ B= B(H) và từ độ M= M(H) phụ thuộc vào từ trƣờng bên ngoài H
và mối liên hệ giữa các đƣờng cong từ hóa và quá trình dịch chuyển vách
đomen và xoay vecto M
s

theo từ trƣờng H trong tinh thể lập phƣơng với các
đomen 90

. Khi đó H = 0 chất sắt từ ở trạng thái khử từ, khi đó trong các chất
sắt từ các đa đomen định hƣớng ngẫu nhiên (trong hình chỉ vẽ 4 đomen đại
diện). Trong mỗi đomen vecto M
s
hƣớng theo phƣơng dễ (trong Fe,s phƣơng
dễ là các phƣơng [100] .Từ độ của toàn bộ mẫu bằng không. Cho H≠0 và tăng
dần, quá trình từ hóa bắt đầu. Nhƣ chúng ta đã biết năng lƣợng tƣơng tác giữa
một lƣỡng cực M với một từ trƣờng H bằng: E
M
= - µ
0
M
s
Hcosθ , ở đó θ là góc
giữ M
s
và H. Momen từ đƣợc kí hiệu là µ thay cho M và không đƣa vào hệ số
µ
0
. Năng lƣợng tƣơng tác nhỏ nhất là M
s
//H. Với lý do đó khi H tăng đomen
nào có vecto M
S
làm với H một góc nhỏ nhất sẽ có lợi về năng lƣợng và phát
triển bằng cách lấn sang các đomen khác.


23

M
B.M
a. trạng thái khử từ
H=0,M h-ớng theo
ph-ơng dễ
b. Dịch vách
c. bão hòa từ
M=Ms
d. Xoay vecto từ độ M
theo H cho đến khi M //H:
bão hòa kỹ thuật
e. Bão hòa c-ỡng bức khi
H rất lớn M>Ms(T)
Paraprocess
o
B= à
H+
o
à
M ( Cảm ứng từ)
J=
o
à
M ( Độ phân cực từ)
Ph-ơng từ
tr-ờng ngoài

Hỡnh 1.9. S quỏ trỡnh t húa: Quỏ trỡnh dch chuyn vỏch xy ra trong

t trng tng i nh, quỏ trỡnh xoay vecto t xy ra trong t trng
ln khi bóo hũa (J= à
0
M) nm ngang v ng B tuyn tớnh
Cui cựng trong vt st t ch tn ti mt omen (trng thỏi n
omen) cú gúc gia M
s
v H nh nht (hỡnh 1.9c). õy chớnh l trng thỏi bóo
hũa t . Tuy nhiờn vecto M
s
v H cha song song nhau, nng lng tng tỏc
gia chỳng cũn ln, vỡ vy M
s
bt u xoay theo H v y l quỏ trỡnh xoay
vecto t M
s
, quỏ trỡnh ny kt thỳc khi M
s
//H (hỡnh 1.9d). Trng thỏi khi
tt c cỏc omen tố ca cỏc omen u song song vi t trng ngoi gi l
bóo hũa t k thut phõn bit vi trng thỏi bóo hũa t khi ch cũn li mt
omen v M
s
hng theo phng d. Cn chỳ ý rng chỳng ta va núi ti
cm t bóo hũa t, õy cn hiu l bóo hũa t ti nhit T, ti nhit
ny, thớ d nhit phũng, bóo hũa t khụng cú ngha l cỏc spin ca cỏc
nguyờn t hon ton song song nhau vỡ chuyn ng nhit T0 luụn phỏ

24
vỡ một phần trật tự từ. Vì vậy nếu tiếp tục tăng H, các spin song song nhau và

làm cho từ độ tăng. Quá trình này giống với từ hóa chất thuận nên gọi là quá
trình từ hóa thuận từ hay paraprocess, cũng có thể gọi đó là quá trình cƣỡng
bức (hình 1.9e). Nhƣ vậy quá trình từ hóa gồm 3 giai đoạn: (1) dịch vách
đomen thuận nghịch và bất thuận nghịch (2) xoay vecto từ độ theo H và (3) từ
hóa cƣỡng bức: Tăng M do mức độ trật tự từ tại T>0K.
1.2.3.3. Dịch vách đomen.
Xét hai domen (a) và (b) gắn với trục tọa độ x, y, z vecto từ độ đối song
(hình 1.10) Đặt từ trƣờng ngoại H theo Z để giảm năng lƣợng từ tƣơng tác
giữa từ trƣờng ngoại H và từ độ M
s
) vách đomen sẽ dịch chuyển theo x sang
phải một đoạn 0x sao cho đomen a có M
s
//H lớn lên. Thể tích mà đomen a
() lấn sang đomen b () là V = yz∂x, sự thay đổi (giảm) năng lƣợng tƣơng
tác từ bảng:
AEM = µ
o
HM
s
cos (180)
o
.yz∂x - (- µ
o
HM
s
cos 0
o
.yz∂x )
= 2µ

o
HM
s
yz∂x (1.4)


25
















Hình 1.10. Đomen a có momen từ song song với H phát triển theo phương
x bằng cách lấn sang các đomen b
(AE
M
= E
2 –
E

1
trong đó: E
1
: năng lƣợng trƣớc khi dịch chuyển, E
2
: năng
lƣợng sau dịch chuyển; đại lƣợng µ
o
HM
s
có thứ nguyên J/m, yz∂x năng lƣợng
tƣơng tác từ ∆E
M
có thứ nguyên là J). Trong quá trình dịch vách, mật độ năng
lƣợng dịch vách γcoa thể thay đổi và giả thiết bằng ∆γ. Vậy sự thay đổi năng
lƣợng vách bằng: ∆Eγ = yz. ∆ γ = yz.∆x (∆ γ/∆x) - yz∂x (dγ/dx) (S = yz-diện
tích vách).
Vị trí mới của vách sẽ đƣợc xác định bởi sự cân bằng năng lƣợng
tƣơng tác từ và năng lƣợng vách: 2µ
o
HM
s
yz∂x = yz∂x (dγ/dx) .


b
a
dX
Y
Z

0

X
Y