Chương 4 VẬT LIỆU TỔ HỢP TỪ-ĐIỆN Metglas/PZT DẠNG TẤM VỚI LỚP
4.1. Tính chất từ của băng từ Metglas
4.1.1. Tính chất từ siêu mềm
Thực nghiệm khảo sát tính chất từ của vật liệu băng từ Metglas được thực hiện trên mẫu băng từ có dạng hình vuông (kích thước 10x10 mm2, chiều dầy 18μm) và thực hiện theo ba phương vuông góc nhau (phương vuông góc mặt phẳng mẫu, phương dọc theo chiều dài mẫu và phương dọc theo chiều rộng mẫu). Kết quả tính chất từ được xác định thông qua đường cong từ trễ theo ba phương được thể hiện trên hình 4.3. Từ đồ thị có thể dễ dàng nhận thấy băng từ Metglas có tính chất từ siêu mềm theo phương mặt phẳng mẫu rất đặc trưng.
75
Tính chất từ siêu mềm được đặc trưng bởi độ từ dư và lực kháng từ rất nhỏ (Mr , Hc ~ 0 Oe), từ trường bão hòa rất thấp (HS ~ 70 Oe) và từ độ bão hòa cao (MS ~ 974 emu/cm3). So sánh với tính chất từ của băng từ FeCoBSi đã được nghiên cứu chế tạo trước đây cho thấy băng từ Metglas có tính chất từ mềm vượt trội [7].
Điều này có được là do thành phần Ni có trong băng từ Metglas đã cải thiện đáng kể tính chất từ mềm của băng từ. Kết quả này mở ra triển vọng phát triển băng từ Metglas để chế tạo cảm biến từ trường thấp cỡ từ trường trái đất với độ nhạy và
độ phân giải cao.
Hình 4.3: Đường cong từ trễ của mẫu băng từ Metglas pha Ni hình vuông kích thước 10×10 mm được thực hiện với từ trường một chiều nằm trong mặt phẳng, hướng dọc theo chiều dài (L), chiều rộng (W) và theo phương vuông góc với mặt
phẳng băng từ
Bên cạnh tính chất từ siêu mềm của băng từ Metglas, từ đồ thị còn có thể
thấy rằng băng từ Metglas còn thể hiện tính chất từ hoàn toàn đẳng hướng trong
76
mặt phẳng băng từ. Nhận xét này có được là do đường cong từ trễ đo theo hai phương vuông góc nhau trong mặt phẳng băng từ là hoàn toàn giống nhau. Điều này có được là do băng từ có trạng thái vô định hình và quy trình chế tạo đã loại bỏ hoàn toàn được ứng suất nội.
4.1.2. Ảnh hưởng của dị hướng hình dạng đến tính chất từ mềm
Trong các nghiên cứu này, luận án đã chỉ ra rằng tính chất từ mềm của băng từ Metglas còn được cải thiện thông qua tối ưu hóa kích thước băng từ. Các nghiên cứu thực nghiệm được tiến hành với hệ các băng từ Metglas có chiều dài L cố định (L = 10 mm) và chiều rộng W thay đổi (W = 0,25 mm – 10 mm). Điều này tương ứng với tỷ số kích thước r = L/W có giá trị từ 1 đến 40. Quá trình khảo sát đường cong từ trễ của hệ các băng từ này với từ trường ngoài luôn hướng dọc theo chiều dài băng từ được thể hiện trên hình 4.4. Kết quả thực nghiệm cho thấy tất cả các băng từ đều cùng đạt trạng thái bão hòa tại giá trị M = 1950 emu/cm3. Điều đáng quan tâm hơn cả là tính chất từ mềm của băng từ (dọc theo phương chiều dài) đã được cải thiện đáng kể khi tăng tỷ số r. Thực vậy, với tỷ số r nhỏ nhất (r = 1) thì từ trường cần thiết để băng từ đạt trạng thái bão hòa có giá trị là
Hs = 70 Oe trong khi với tỷ số r lớn nhất (r = 40) thì giá trị này giảm xuống chỉ còn vài Oe.
Hình 4.4: Đường cong từ trễ của các băng từ Metglas có tỷ số r = L/W khác nhau với từ trường đặt trong mặt phẳng và dọc theo phương chiều dài mẫu
77
Để làm rõ hơn vấn đề này, luận án đã tiến hành ngoại suy đường cong độ cảm từ (χM = dM/dH) của các băng từ Metglas với tỷ số r khác nhau từ đường cong từ trễ của chúng (hình 4.5). Đồ thị cho thấy độ cảm từ của tất cả các băng từ đều tăng mạnh khi từ trường ở gần giá trị 0. Tuy nhiên giá trị độ cảm từ cực đại tăng rất nhanh theo tỷ số r và đạt giá trị lớn nhất là χmax = 15.103 ứng với băng từ có tỷ số r = 40. Điều này thêm một lần nữa khẳng định rằng tính chất từ mềm của băng từ phụ thuộc rất mạnh vào tỷ số kích thước r (hay còn gọi là tính dị hướng hình dạng).
Hình 4.5: Độ cảm từ cực đại của các mẫu băng từ Metglas có tỷ số r = L/W khác nhau
Đường cong từ trễ và độ cảm từ quan sát được khác nhau rất nhiều phụ thuộc vào hình dạng và kích thước của mẫu băng từ được giải thích dựa trên hiện tượng trường khử từ hay dị hướng hình dạng. Khi một vật liệu từ bị từ hóa, các cực từ ở hai đầu vật liệu sẽ sinh ra một từ trường chống lại từ độ M (cùng phương, ngược chiều M). Từ trường này được gọi là trường khử từ Hd (hình 4.6).
Cường độ trường khử từ Hd phụ thuộc vào các yếu tố như: từ độ M, khoảng cách giữa các cực từ và diện tính bề mặt của các cực.
78
Hình 4.6: (a) Biểu diễn sự hình thành của các mômen lưỡng cực trong vật liệu bị từ hoá (b) Cảm ứng từ B, từ độ M và trường khử từ Hd của mẫu bị từ hoá [4]
Sự phụ thuộc của cường độ trường khử từ vào các yếu tố (chẳng hạn khoảng cách giữa các cực từ) được ví dụ trên mô hình mẫu vật liệu khối hình chữ nhật (hình 4.7). Khi vật liệu bị từ hóa theo phương chiều dài, khoảng cách giữa các cực từ là khá lớn và dẫn đến giá trị Hd sẽ nhỏ. Ngược lại, khi vật liệu bị từ hóa theo phương chiều rộng, khoảng cách giữa các cực từ là nhỏ và dẫn đến giá trị Hd là khá lớn.
Hình 4.7: Trường khử từ bên trong một thanh chữ nhật đã được từ hoá theo phương song song (a) và vuông góc với chiều dài thanh (b)
Vận dụng lý thuyết trường khử từ cho vật liệu từ có dạng màng mỏng hoặc dạng băng từ. Với các vật liệu dạng này, chiều dầy có kích thước rất nhỏ so
79
với chiều dài và chiều rộng. Do đó trường khử từ theo phương chiều dầy là rất lớn và làm cho phương này trở thành phương khó từ hóa nhất. Điều này giải thích cho lý do tại sao băng từ Metglas kích thước 10x10 mm (chiều dầy 18 μm) lại có tính dị hướng mặt phẳng (hình 4.3).
Xét trong mặt phẳng băng từ, nếu chiều dài và chiều rộng có giá trị như nhau (L = W) thì trường khử từ theo cả hai phương cũng có giá trị như nhau và
dẫn đến băng từ Metglas kích thước 10x10 mm có tính đẳng hướng trong mặt phẳng băng (hình 4.3). Khi băng từ có dạng hình chữ nhật, trường khử từ dọc theo chiều dài sẽ nhỏ nhất. Điều này có nghĩa là phương chiều dài sẽ là phương dễ từ hóa nhất (từ trường cần thiết để đạt trạng thái bão hóa là nhỏ nhất). Nếu tỷ lệ kích thước r = L/W càng tăng thì quá trình từ hóa theo phương chiều dài càng trở lên dễ dàng hơn. Kết quả nghiên cứu này đã mở ra ý tưởng rằng có thể tăng cường hiệu ứng từ-điện trong vùng từ trường thấp (cỡ từ trường trái đất) thông qua quá trình tăng cường dị hướng hình dạng của các vật liệu thành phần.
4.2. Tính chất từ giảo của băng từ Metglas