Tương tác từ giữa các vi hạt trong nam châm kết dính Nd-Fe-B chế tạo bằng phương pháp ép nóng

JOURNAL OF SCIENCE OF HNUE Natural Sci., 2011, Vol. 56, No. 3, pp. 3-7 TƯƠNG TÁC TỪ GIỮA CÁC VI HẠT TRONG NAM CHÂM KẾT DÍNH Nd-Fe-B CHẾ TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP ÉP NÓNG Nguyễn Văn Khánh(∗) Trường Đại học Sư Phạm Hà Nội Nguyễn Văn Vượng Viện Khoa học Vật liệu, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam (∗)E-mail: khanhnvsp@gmail.com 1. Mở đầu Kể từ khi Nd-Fe-B, một loại vật liệu từ cứng mới có tích năng lượng từ cao, được phát hiện vào cuối năm 1983 [1] đến nay, nam châm Nd-Fe-B ngày càng chiếm ưu thế trên thị trường nam châm vĩnh cửu. Xuất phát từ hai ý tưởng ban đầu tìm kiếm pha sắt từ của vật liệu Nd-Fe-B ở trạng thái bền và giả bền [2], ngay từ những ngày ra đời đến nay, nam châm vĩnh cửu họ Nd-Fe-B được chế tạo song hành bằng hai công nghệ, luyện kim bột và kết dính bột nguội nhanh, tạo ra hai loại nam châm, thiêu kết và kết dính, có những ưu điểm riêng biệt [3]. Từ tính của nam châm vĩnh cửu được đặc trưng bởi cảm ứng từ dư Br, lực kháng từ iHc, tích năng lượng từ (BH)max và hệ số vuông góc γ. Tham số γ liên quan chặt chẽ đến cơ chế đảo từ và có tác động mạnh lên giá trị của tích năng lượng từ (BH)max. Trong nam châm đẳng hướng, phân bố trục dễ là hoàn toàn ngẫu nhiên, do vậy momen từ bão hòa Ms (được gắn chặt với trục dễ nhờ vào trường dị hướng tinh thể) cũng phân bố hoàn toàn ngẫu nhiên. Vì lí do này nên hệ số vuông góc trong nam châm đẳng hướng thường không vượt quá γmax = 0, 5 nếu các vi hạt có kích thước đơn đômen và không tương tác với nhau. Do đó sự cải thiện hệ số vuông góc liên quan chặt chẽ đến tương tác trao đổi giữa các vi hạt. Tương tác này phụ thuộc mạnh vào kích thước, hình dáng của các vi hạt được cố định trong các mảnh sau quá trình nguội nhanh và có thể thay đổi bằng quá trình xử lí nhiệt. Bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu về sự gia tăng tương tác nói trên trong các mẫu nam châm kết dính Nd-Fe-B chế tạo bằng phương pháp ép gia nhiệt bột nguội nhanh. Kết quả đo tính chất từ của mẫu thu nhận được cho thấy phương pháp ép gia nhiệt đã gia tăng tương tác từ giữa các vi hạt, ảnh hưởng mạnh đến hệ số vuông góc γ, do vậy, làm tăng đáng kể từ tính của mẫu nam châm so với phương pháp ép mẫu ở nhiệt độ phòng. Kết quả thực nghiệm này được khẳng định 3 Nguyễn Văn Khánh và Nguyễn Văn Vượng bằng sự trùng hợp tốt với kết quả mô hình hóa theo mô hình Stoner-Wohlfarth [4] và chứng minh tính khả quan của công nghệ ép gia nhiệt để chế tạo nam châm kết dính Nd-Fe-B chất lượng cao. 2. Nội dung nghiên cứu 2.1. Thực nghiệm Hiện nay nam châm kết dính Nd-Fe-B thường được tiến hành theo qui trình công nghệ đơn giản trình bày trên Hình 1. Hình 1. Qui trình cơ bản chế tạo nam châm kết dính Nd-Fe-B Kết quả nghiên cứu trong tài liệu [5] cho thấy qui trình này không tác động được vào tương tác giữa các hạt từ và không cho phép tạo mẫu nam châm khối lượng riêng lớn, vì vậy từ tính của nam châm chế tạo chưa đạt được theo đặc trưng vốn có của loại vật liệu này. Để làm tăng từ tính của mẫu theo ý tưởng là tăng cường tương tác từ như đã trình bày ở trên, các mẫu nam châm được chế tạo theo qui trình tương tự như qui trình công nghệ được mô tả ở Hình 1, song công đoạn ép nam châm được tiến hành ở nhiệt độ 2000C. Qui trình này cho phép thực hiện ép định hình mẫu cùng lúc với xử lí nhiệt hóa cứng sản phẩm. Kết quả là khối lượng riêng của các mẫu thu được cao hơn so với ép nguội. Ngoài ra đúng như dự đoán, chúng tôi đã quan sát thấy sự gia tăng tương tác từ giữa các vi hạt làm tăng từ tính mẫu so với các mẫu chế tạo bằng ép nguội. 2.2. Kết quả và thảo luận Để dùng mô hình Stoner-Wohlfarth, ta cho rằng mẫu nam châm là một tập hợp các vi hạt từ kích thước đơn đômen, không tương tác với nhau. Mỗi hạt có trục dễ EA định hướng ngẫu nhiên trong không gian. Momen từ M của mỗi vi hạt hướng theo trục dễ và có độ lớn bằng Ms. Khi có từ trường ngoài H tạo góc β với trục dễ EA (0 < β < 900) thì góc giữa M và H là θ (Hình 2) Năng lượng tự do của mỗi vi hạt là: f = −Ku cos 2(θ − β)−HMS cos θ trong công thức này: Ku = − HaMS 2 và cos θ = M/MS. 4 Tương tác từ giữa các vi hạt trong nam châm kết dính Nd-Fe-B... Thông số Ha liên quan đến cường độ từ trường ngoài mà tại đó từ độ đạt giá trị bão hòa. Đối với vật liệu Nd2Fe14B, giá trị cực đại của Ha cỡ 7, 6T [5]. Giá trị thực tế Hai của các hạt được xác định bởi tác dụng của từ trường ngoài trong quá trình kết dính nam châm và là tham số ngẫu nhiên có phân bố theo một hàm xác suất trong khoảng 0÷7, 6T , tương ứng với việc trục dễ của hạt song song hay vuông góc với hướng từ trường nạp. Hình 2. Mô hình hạt từ đơn đômen trong từ trường ngoài H (xem trường ngoài trùng với trục z) Đặt h = H/Ha, m = cos θ. Gọi P (β) là hàm xác suất phân bố trục dễ theo góc β. Giá trị trung bình của h được xác định bằng việc lấy cực tiểu năng lượng theo góc θ. Kết quả phép tính cho công thức 〈h〉 = ∫ pi/2 0 hP (β) sin(β)dβ∫ pi/2 0 P (β) sin(β)dβ (2.1) trong đó P (β) là xác suất tồn tại của mô- men từ trên bề mặt hình nón có góc không gian 2β. Áp dụng các kết quả tính toán trên đây cho các mẫu nam châm kết dính Nd2Fe14B sử dụng bột nguội nhanh chế tạo bằng công nghệ phun hợp kim lỏng lên trống quay (công nghệ melt-spinning). Do bản chất của quá trình melt-spinning, bột Nd-Fe-B thu nhận được có tính đẳng hướng từ thể hiện bằng sự định hướng ngẫu nhiên của trục dễ EA trong không gian. Nếu số lượng vi hạt rất lớn và giữa chúng không có tương tác từ thì P (β) = 1. Trong trường hợp không đẳng hướng, hàm P (β) có dạng hàm Gauss [6] P(θ0) = Nch exp [ β2 2δ2 ] . Dùng công thức (1) có thể mô hình hóa tính chất từ của nam châm kết dính trong khuôn khổ mô hình Stoner-Wohlfarth cho 2 trường hợp: - Các hạt không tương tác với nhau, xác suất phân bố của mômen từ bão hòa MS trong không gian là đều (P (β) = 1) - Các hạt không tương tác, hàm phân bố xác suất có dạng hàm Gauss. Trong trường hợp tồn tại tương tác, quá trình đảo từ của các vi hạt thứ i xảy ra dưới tác 5 Nguyễn Văn Khánh và Nguyễn Văn Vượng dụng của trường hiệu dụng là tổng của trường ngoài và trường nội do các vi hạt còn lại gây ra. Trường nội theo lí thuyết Weiss tỉ lệ với mômen từ của các vi hạt, do vậy trường hiệu dụng có dạng Heff = Hext + α.M. Như đã trình bày ở trên, hệ số vuông góc γ của đường cong khử từ (đoạn cong của đường từ trễ ở góc vuông thứ hai của hệ tọa độ Descart) là một đặc trưng quan trọng liên quan chặt chẽ đến cơ chế đảo từ và có ảnh hưởng quyết định đến giá trị của tích năng lượng từ (BH)max. Tồn tại một vài định nghĩa về hệ số vuông góc (γ =B Hc/iHc, γ = Mr/Ms). Hệ số γ càng gần đến 1 thì từ tính của nam châm càng cao. Hình 3 chỉ ra sự phụ thuộc của hệ số γ vào khối lượng riêng ρ của các mẫu nam châm kết dính chế tạo được. Quan sát thấy có sự gia tăng của hệ số γ trong trường hợp mẫu ép gia nhiệt so với ép nguội. Trong trường hợp ρ > 6, 0g/cm3, hệ số γ vượt giá trị γmax = 0, 5. Hình 3 cũng cho thấy sự phù hợp giữa các kết quả thực nghiệm với mô hình hóa trong trường hợp có tương tác từ giữa các vi hạt. Chú thích: Kết quả thực nghiệm ( : ép nóng, : ép nguội) Kết quả lí thuyết ( : có tính đến tương tác với α = 0, 5, : không tính đến tương tác). Để ý rằng các điểm lí thuyết tạo thành đường tuyến tính, các điểm thực nghiệm phân bố đều xung quanh. Hình 3. Sự phụ thuộc của hệ số vuông góc vào khối lượng riêng của các nam châm kết dính Sự trùng hợp tốt này cho phép rút ra kết luận rằng phương pháp ép gia nhiệt đã tăng cường tương tác trao đổi giữa các vi hạt làm cải thiện các đặc trưng từ tính của các nam châm kết dính Nd-Fe-B. Nguyên nhân của sự tăng cường này có thể là kết quả của việc mọc các vi hạt và sự giảm khoảng cách giữa các hạt bột nguội nhanh do tác dụng của việc ép gia nhiệt. 3. Kết luận Công nghệ chế tạo nam châm kết dính Nd-Fe-B bằng phương pháp ép gia nhiệt tại 2000C đã làm tăng tương tác trao đổi giữa các vi hạt và qua đó làm tăng 6 Tương tác từ giữa các vi hạt trong nam châm kết dính Nd-Fe-B... từ tính của các mẫu nam châm. Sự gia tăng này được dự đoán bằng các kết quả mô hình hóa trong khuôn khổ mô hình Stoner-Wohlfarth có tính đến tương tác giữa các vi hạt và đã được xác nhận bằng các thực nghiệm. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Sagawa M., Fujimura S., Togawa N., Yamamoto H. and Matsuura Y., 1984. J. Appl. Phys. 55, 2083. [2] Hashim M., Harun S., Ahmadun M. Hj. et al., 2000. Permanent Magnets. ASEAN-INDIA Workshop on Nd-Fe-B Magnet and Materials, 23-25, Malaysia, 35. [3] M. Drak, B. Ziebowicz, L.A. Dobrzanski, 2008. Manufacturing of hard magnetic composite materials Nd-Fe-B. Journal of Achievements in Materials and Manu- facturing Engineering, Vol. 31, pp. 91-96. [4] M. A. Chuev, 2007. Generalized Stoner-Wohlfarth model and the non-langevin magnetism of single-domain particles. ISSN 0021-3640, JETP Letters, Vol. 85, No. 12, pp. 611-616. [5] Constantinides S., 2000. Novel Permanent Magnets and Their use. The Arnol Engineering Company/300N/West Street/Marengo/IL60152. [6] N.V. Khánh, N. V. Vượng, Đ. H. Thăng, N. T. Hiếu, 2008. Mô hình Stoner - Wohlfarth mở rộng miêu tả tính chất từ của nam châm kết dính ép nóng Nd-Fe-B. Tuyển tập các báo cáo Hội nghị Vật lí chất rắn toàn quốc lần thứ V, Viện Vật liệu, Vũng Tàu, tr. 202-205. ABSTRACT Interaction between micrograins in Nd-Fe-B bonded magnet manufactured by hot compression Bonded Nd-Fe-B magnets were prepared by using melt-spun flakes impreg- nated in an one-component binder and hot compaction occurred at 2000C in air/argon. The results of BH-graph measurements showed the magnetic properties enhance- ment caused by the improvement of exchange interaction between micro-grains. This conclusion has been affirmed by the model results performed in the frame- work of Stoner-Wohlfarth single domain particles model for the cases: no interaction between micrograins inside flakes, homogenous probability distribution of saturated magnetic momen MS in 3D space; no interaction, Gaussian distribution of the grains; interaction and the distribution of the grains are homogenous. Từ khóa:Nam châm kết dính Nd-Fe-B, ép gia nhiệt, mô hình Stoner-Wolhfarth, tương tác trao đổi. 7