Nam châm từ đất hiếm

Nam châm từ đất hiếm là các nam châm vĩnh cửu chế tạo từ hợp chất hoặc hợp kim của nguyên tố đất hiếm và kim loại chuyển tiếp, bao gồm hai loại chính: nam châm 2:14:1 và nam châm SmCo.

Nam châm từ đất hiếm, xuất hiện từ nửa sau thế kỷ 20, nổi bật với sức mạnh vượt trội so với các nam châm truyền thống như ferrite, AlNiCo, và ngay cả nam châm hợp kim FePt, CoPt.

Hệ nam châm từ đất hiếm dựa trên hợp chất SmCo

Các nam châm vĩnh cửu được chế tạo từ hợp chất của Samarium (Sm) và Coban (Co), cùng với một số nguyên tố khác, là những vật liệu từ cứng với dị hướng từ tinh thể lớn nhất hiện nay. Chúng có khả năng kháng từ rất cao và nhiệt độ Curie rất lớn. Hai hệ hợp chất phổ biến nhất là SmCo₅ và Sm₂(Co,Fe)₁₇. Điểm đặc trưng của các hợp chất này là dị hướng từ tinh thể rất lớn, với lực kháng từ từ vài kOe đến hàng chục kOe, nhưng từ độ bão hòa không cao. Chúng có nhiệt độ Curie rất cao và độ suy giảm chất lượng thấp theo nhiệt độ, nên thường được gọi là nam châm nhiệt độ cao, và thích hợp cho các ứng dụng ở nhiệt độ cao.

• Hợp chất SmCo₅

Hợp chất này được Karl J. Strnat từ Phòng thí nghiệm Vật liệu Không quân Hoa Kỳ phát minh lần đầu vào năm 1966, với tích năng lượng từ cực đại (BH)max đạt 18 MGOe.

SmCo₅ thuộc nhóm hợp chất RCo₅ (R đại diện cho các nguyên tố đất hiếm), có cấu trúc tinh thể lục giác. SmCo₅ có hằng số dị hướng từ tinh thể bậc 1 K₁ = 11,9.10⁶ J/m³, từ độ bão hòa M_s = 840 kA/m và nhiệt độ Curie T_C = 1003 K, với trường dị hướng H_A = 28,6 T. Loại nam châm này cho tích năng lượng từ cực đại (BH)max lên tới 28,5 MGOe (220 kJ/m³).

• Hợp chất Sm₂Co₁₇

Karl J. Strnat và Dr. Alden Ray phát minh hợp chất này vào năm 1972, với tích năng lượng từ cực đại lên đến 30 MGOe. Mặc dù có cấu trúc tương tự như SmCo5, hợp chất này có các thông số từ nội tại khác biệt. Hằng số dị hướng từ tinh thể bậc 1 K₁ = 10.10⁶ J/m³, từ độ bão hòa M_s = 990 kA/m và nhiệt độ Curie T_C = 958 K. Tích năng lượng từ cực đại (BH)max có thể đạt đến 41,3 MGOe (331 kJ/m³). Hiện nay, trong các nghiên cứu về nam châm nhiệt độ cao, người ta thường pha tạp thêm các nguyên tố khác (như Fe, Cu, Zr) để cải thiện cấu trúc và tính chất của vật liệu, nhằm nâng cao nhiệt độ Curie cũng như chất lượng từ.

Nam châm đất hiếm thuộc nhóm hợp chất 2:14:1

Nhóm hợp chất 2:14:1 bao gồm các công thức chung R₂Fe₁₄B hoặc R₂Co₁₄B (trong đó R là các nguyên tố đất hiếm như Nd, Pr, Dy...). Trong đó, Nd₂Fe₁₄B (thường gọi là nam châm NdFeB) và Pr₂Fe₁₄B là những loại phổ biến nhất. Các hợp chất này nổi bật với dị hướng từ tinh thể rất lớn và từ độ bão hòa cao, cho phép tích năng lượng từ rất lớn. Loại tốt nhất, NdFeB, có khả năng đạt giá trị (BH)max lên tới 64 MGOe. Các hợp chất này có cấu trúc tinh thể kiểu tứ giác và các tham số từ được trình bày trong bảng dưới đây.

Hệ vật liệu này được phát minh vào năm 1983 bởi các nhà khoa học từ Mỹ (J. J. Croat) và Nhật Bản (M. Sagawa). Hợp chất Nd₂Fe₁₄B hiện vẫn là nam châm vĩnh cửu tốt nhất, với dị hướng từ tinh thể K₁ = 9,4.10⁶ J/m³, và tích năng lượng từ cực đại có thể đạt tới 64 MGOe (với sản phẩm thương mại đạt 57 MGOe).

Công nghệ sản xuất nam châm từ đất hiếm

Nam châm đất hiếm thường được chế tạo dưới dạng nam châm thiêu kết. Quá trình bắt đầu bằng việc chế tạo hợp kim với thành phần danh định của hợp chất, điều chỉnh để bù lại phần nguyên tố đất hiếm bị oxy hóa. Sau đó, hợp kim được nghiền thành bột mịn, trộn với keo epoxy, và ép định hướng trong từ trường. Tiếp theo, bột được nung thiêu kết ở nhiệt độ cao trong môi trường chân không và khí bảo vệ, rồi ủ nhiệt để ổn định pha, từ hóa, và phủ keo bảo vệ. Toàn bộ quy trình được thực hiện trong môi trường bảo vệ để giảm thiểu oxy hóa.

Có thể thay thế phương pháp thiêu kết bằng kỹ thuật ép nóng, trong đó bột hợp kim được ép trong từ trường ở nhiệt độ cao để tạo ra pha và định hướng từ của nam châm (tạo nam châm dị hướng).

Gần đây, người ta cũng sản xuất nam châm đất hiếm với giá thành thấp hơn bằng cách sử dụng phương pháp nam châm kết dính. Bột hợp kim mịn được tạo ra từ các mảnh vụn hợp kim qua công nghệ nguội nhanh, sau đó trộn với keo epoxy và ép định hướng trong từ trường. Kỹ thuật này đơn giản và tiết kiệm hơn, nhưng chất lượng nam châm thường thấp hơn so với nam châm thiêu kết.

Nhược điểm của nam châm đất hiếm

Nam châm đất hiếm gặp một số nhược điểm do đặc tính vật lý của chúng:

• Độ bền thấp vì các nguyên tố đất hiếm có tính hóa học cao, dễ bị oxy hóa. Do đó, các nam châm thường cần được phủ lớp keo bảo vệ để chống lại hiện tượng oxy hóa.
• Chi phí cao vì chứa nhiều nguyên tố đất hiếm đắt tiền và quá trình chế tạo phức tạp.
• Nam châm mạnh nhất là Nd₂Fe₁₄B, mặc dù rất mạnh, nhưng lại có nhiệt độ Curie thấp và có thể giảm chất lượng do ảnh hưởng của nhiệt độ cao.

• Nam châm vĩnh cửu
• Vật liệu từ cứng
• Dị hướng từ tinh thể