Vật liệu từ nam châm vĩnh cửu

Nam châm vĩnh cửu là những vật được tạo thành từ các vật liệu cứng có khả năng giữ từ tính mà không bị mất từ trường, được sử dụng như các nguồn tạo từ trường.

Các đặc tính

Các đại lượng của nam châm vĩnh cửu phụ thuộc vào đường cong từ trễ, đây là các tham số đặc trưng của các vật liệu từ sắt nói chung và các vật liệu cứng nói riêng. Các tham số quan trọng bao gồm:

• Lực kháng từ

Lực kháng từ của nam châm vĩnh cửu cần đủ lớn để không bị mất từ bởi các từ trường bên ngoài. Khả năng lưu trữ từ trường của nam châm phụ thuộc vào lực kháng từ, và các nam châm thông dụng hiện nay thường có lực kháng từ từ 1000 Oe đến vài chục ngàn Oe.

• Từ dư (xem bài Đường cong từ trễ).
• Hệ số hình chữ nhật hay Độ vuông
• Tích năng lượng từ cực đại

Tích năng lượng từ cực đại của nam châm vĩnh cửu thể hiện khả năng lưu trữ năng lượng lớn nhất trong một đơn vị thể tích nam châm, được xác định từ đường cong từ trễ. Để có tích năng lượng từ cực đại cao, nam châm cần có lực kháng từ mạnh, từ dư cao và hệ số hình chữ nhật của đường cong từ trễ lớn.

• Nhiệt độ Curie

Là nhiệt độ khiến cho vật liệu từ sắt mất tính từ và trở thành thuận từ. Nhiệt độ Curie cho biết khả năng hoạt động của nam châm trong điều kiện nhiệt độ cao hay thấp. Có những nam châm có nhiệt độ Curie khá thấp (ví dụ như nam châm Nd2Fe14B có nhiệt độ Curie chỉ 312°C), nhưng cũng có những loại nam châm có nhiệt độ Curie rất cao (ví dụ như hợp chất SmCo có nhiệt độ Curie hàng ngàn độ, được sử dụng trong động cơ phản lực có nhiệt độ cao).

• Ngoài các thông số liên quan đến từ tính, các thông số khác cũng rất quan trọng như độ cứng, khả năng chống mài mòn, chống oxy hóa, mật độ... Ngoài ra, hình dạng của nam châm cũng là một yếu tố quan trọng quyết định điểm làm việc của nam châm vì nó ảnh hưởng đến hiệu suất từ của vật liệu từ.

Phân loại theo vật liệu

• Oxide sắt: Đây là loại nam châm vĩnh cửu đầu tiên được con người sử dụng dưới dạng các 'đá nam châm', xuất hiện từ thời cổ đại. Tuy nhiên, khi công nghệ phát triển, loại nam châm này không còn được sử dụng nữa do từ tính của nó rất yếu.
• Thép cacbon

Là loại nam châm vĩnh cửu được sử dụng từ thế kỷ 18 đến giữa thế kỷ 20, có khả năng tạo ra từ dư lên đến hơn 1 T, nhưng lực kháng từ rất thấp nên dễ mất từ tính. Loại nam châm này hiện nay ít được sử dụng.

• Nam châm AlNiCo

Là loại nam châm được làm từ vật liệu từ cứng là hợp kim của nhôm, niken, côban và một số phụ gia khác như đồng, titan..., là loại nam châm có từ dư cao (lên tới 1,2-1,5 T) nhưng lực kháng từ chỉ khoảng 1 kOe. Vì giá thành cao nên tỉ lệ sử dụng ngày càng giảm (chỉ còn dưới 10% thị phần sử dụng).

• Ferrite từ cứng

Là loại nam châm vĩnh cửu được làm từ các ferit từ cứng (ví dụ như ferit Ba, Sr..), là nhóm vật liệu dạng gốm. Nam châm ferit có ưu điểm là dễ chế tạo, gia công, giá thành rẻ và độ bền cao. Tuy nhiên, do là nhóm vật liệu ferit có hàm lượng oxy cao, nên có lực kháng từ từ 3 đến 6 kOe và chỉ cho tích năng lượng từ cực đại không quá 6 MGOe. Hiện nay, nam châm ferit chiếm hơn 50% thị phần sử dụng nam châm vĩnh cửu nhờ những ưu điểm về giá thành rẻ, dễ chế tạo và độ bền.

• Nam châm đất hiếm

Là loại nam châm vĩnh cửu được tạo ra từ các vật liệu từ cứng là các hợp kim hoặc hợp chất của các kim loại đất hiếm và kim loại chuyển tiếp.

• • Nam châm nhiệt độ cao SmCo

Là hệ nam châm vĩnh cửu được sản xuất từ hợp chất ban đầu SmCo₅ được phát minh vào năm 1966 bởi tiến sĩ Karl J. Strnat tại U.S. Air Force Materials Laboratory (Mỹ), có tích năng lượng từ cực đại lên đến 18 MGOe. Sau đó, Karl J. Strnat phát minh hợp chất Sm₂Co₁₇ với tích năng lượng từ lên tới 30 MGOe vào năm 1972. Hệ nam châm SmCo có nhiệt độ Curie rất cao (có thể lên tới 1100°C) và lực kháng từ mạnh (tới vài chục kOe) nhờ vào cấu trúc đặc biệt dạng lá. Do có nhiệt độ Curie cao và lực kháng từ mạnh, chúng được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng yêu cầu nhiệt độ cao như trong động cơ phản lực...

• • Nam châm NdFeB (neodymium)

Là hệ nam châm dựa trên hợp chất R₂Fe₁₄B (R là các nguyên tố đất hiếm như Nd, Pr...) có cấu trúc tinh thể kiểu tứ giác với lực kháng từ lớn (hơn 10 kOe) và từ độ bão hòa rất cao (lên tới 1,56 T), là loại nam châm vĩnh cửu mạnh nhất hiện nay với khả năng cho tích năng lượng từ lên tới 64 MGOe (theo tính toán lý thuyết) và hiện nay đã có nam châm Nd₂Fe₁₄B với tích năng lượng từ 57 MGOe. Tuy nhiên, loại nam châm này không thể sử dụng ở nhiệt độ cao do có nhiệt độ Curie chỉ 312°C. Nam châm Nd₂Fe₁₄B được phát minh lần đầu vào năm 1983 bởi R. Sagawa (Nhật Bản).

Điểm yếu chung của nam châm đất hiếm là giá thành cao (do chứa nhiều nguyên tố đất hiếm đắt tiền) và độ bền kém (do nguyên tố đất hiếm có tính oxy hóa cao). Mặc dù là loại nam châm mạnh nhất, nam châm đất hiếm vẫn không được sử dụng phổ biến nhất (đứng sau nam châm ferit).

• Nam châm tổ hợp nano

Là loại nam châm mới ra đời từ đầu thập kỷ 90 của thế kỷ 20, là nam châm có cấu trúc tổ hợp giữa hai pha từ cứng và từ mềm ở kích thước nanomet. Pha từ cứng (chiếm tỉ lệ thấp) cung cấp lực kháng từ mạnh, pha từ mềm cung cấp từ lớn. Tính chất tổ hợp này được đạt được nhờ sự liên kết trao đổi giữa các hạt pha từ cứng và từ mềm ở kích thước nanomet. Loại nam châm này được tính toán có khả năng cho tích năng lượng từ khổng lồ hơn 3 lần so với nam châm mạnh nhất hiện nay là NdFeB, tuy nhiên, thực tế trong thử nghiệm chỉ đạt được hiệu suất thấp hơn nhiều so với lý thuyết và sản phẩm thực tế đang trong giai đoạn thử nghiệm sản xuất.

Phân loại theo phương pháp chế tạo

• Nam châm không định hướng (Nam châm không có hướng định)

Là nam châm vĩnh cửu được sản xuất bằng cách ép chặt mà không cần sử dụng các phương pháp định hướng ban đầu (như từ trường...).

• Nam châm có định hướng (Nam châm có hướng định)

Là nam châm được điều chỉnh hướng trong quá trình ép chặt bằng từ trường. Khi đó, các hạt đơn đôi trong vật liệu sẽ được căn chỉnh theo hướng từ trường, tạo nên khả năng từ hóa dễ dàng theo hướng nhất định.

• Nam châm kết dán

Những nam châm này được sản xuất bằng cách nghiền chúng thành bột mịn, sau đó trộn lẫn với keo kết dính như epoxy và ép lớp hợp chất này trong môi trường từ trường để hướng các hạt nam châm.

• Nam châm từ tính hóa học

Nam châm được tạo thành từ việc thiêu kết các bột kim loại nghiền mịn lại với nhau và ép vào khuôn để tạo ra hợp chất có thành phần và tính chất xác định.

• Nam châm
• Tài liệu từ tính hóa học
• Từ sắt từ
• Đường cong từ trễ

1. ^ Robert C. O'Handley (1999). Chất liệu từ tính hiện đại: Nguyên lý và Ứng dụng. Wiley-Interscience. ISBN-13 978-0471155669.
2. ^ K.H.J. Buschow (1998). Chất liệu từ nam châm vĩnh cửu và Ứng dụng của chúng. Trans Tech Publications. ISBN 0-8784978-796-X.

Liên kết web bên ngoài

• Lịch sử của từ tính