Bài giảng về vật liệu từ cấu trúc nanô: Phần 1- PGS. TS. Trần Hoàng Hải

Chia sẻ: Na Na | Ngày: | Loại File: PPT | Số trang:107

Thêm vào BST

Báo xấu

180
lượt xem 39
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng về vật liệu từ cấu trúc nanô: Phần 1 gồm 2 chương. Nội dung Phần 1 bài giảng trình bày những khái niệm cơ bản về vật liệu từ và ứng dụng của vật liệu từ. Mời bạn đọc tham khảo tài liệu để hiểu rõ hơn về các nội dung trên.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng về vật liệu từ cấu trúc nanô: Phần 1- 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: thanhlam1910_2006@yahoo.com Gmail: frbwrthes@gmail.com
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 nh ất trong vài chục năm qua. Nhờ cấu trúc dị hướng , chúng đã có lực kháng t ừ tương đối cao, song tích năng lượng lại thấp. M ặc dù vậy , chúng v ẫn có những ứng dụng rộng rãi vì sự phong phú của qu ặng nguyên li ệu và giá thành sản xuất thấp.. Chúng cũng phù h ợp cho việc s ử d ụng trong việc tạo các hình dạng phức tạp. Chúng vẫn giữ là loại v ật 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 t ổ h ợp hợp kim cobalt, sắt và một ít nguyên tố đất hiếm; Chúng không ch ỉ biểu hiện bản chất từ cứng năng lượng cao , mà SmCo 5 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 nh ược điểm v ề 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 hi ểu mối t ương 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 ch ỉ t ồn 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 nh ư th ế 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 cu ộn dây hoặc trong một nguyên tử., như vậy mỗi nguyên t ử bi ểu hi ện nh ư 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 , đ ược đo b ằng magneton Bohr ( µB), và cũng có một mômen từ spin tương ứng với nó do electron tự quay , giống như trái đất quay trên tr ục của b ản thân nó.( được minh họa trên hình 2). Trong h ầu h ết các v ật liệu đ ều có mômen từ tổng cộng, nhờ các electron tạo thành nhóm t ừng 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 l ớn 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 th ể hiện một l ực để cố g ắng sắp xếp nó theo từ trường ngoài, giống như cái kim la bàn. Các l ực này được sử dụng để điều khiển môtơ điện, tạo âm thanh trong một h ệ loa, kiểm sóat cuộn tiếng trong CD player, v.v...Các t ương tác giữa t ừ và điện, vì vậy là một khía cạnh thiết y ếu của nhiều thi ết b ị 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 (σ): 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 = µ0 (H+M) (1a). B = H + 4πM (1b). µ0 là độ từ thẩm của chân không ( 4π 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 = µ0M 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 2A 3A 4A 5A 6A 7A 8A 1 2 H He 1s1 1s2 3 4 5 6 7 8 9 10 Li Be B C N O F Ne 1s2 1s2 1s2 1s2 1s2 1s2 1s2 1s2 2s1 2s2 2s22p1 2s22p2 2s22p3 2s22p4 2s22p5 2s22p6 11 12 13 14 15 16 17 18 Na Mg Al Si P S Cl Ar [Ne] [Ne] [Ne] [Ne] [Ne] [Ne] [Ne] [Ne] 3s1 3s2 3s23p1 3s23p2 3s23p3 3s23p4 3s23p5 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 χ= T 20