Khóa luận: Ảnh hưởng của thời gian nghiền lên tính chất từ của vật liệu từ cứng Mn-Bi

Khóa luận phân tích ảnh hưởng của thời gian nghiền đến tính chất từ của vật liệu từ cứng MnBi, cung cấp cái nhìn sâu sắc về ứng dụng và hiệu suất.

• Tác giả: Phùng Thị Hiền
• Người hướng dẫn: ThS. GVC Nguyễn Mẫu Lâm
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2
• Chuyên ngành: Vật Liệu Từ Cứng
• Đề tài: Ảnh Hưởng Của Thời Gian Nghiền Đến Tính Chất Từ Của Vật Liệu Mn-Bi
• Loại tài liệu: khóa luận
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• MỞ ĐẦU
• 0.1. Lí do chọn đề tài
• 0.2. Mục đích nghiên cứu
• 0.3. Giả thuyết khoa học
• 0.4. Nhiệm vụ nghiên cứu
• 0.5. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 0.6. Phương pháp nghiên cứu
• 0.7. Cấu trúc khóa luận
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU TỪ CỨNG
• 1.1. Lịch sử phát triển của vật liệu từ cứng
• 1.2. Ứng dụng và nhu cầu của vật liệu từ cứng
• 1.3. Vật liệu từ cứng Mn-Bi
• 1.3.1. Cấu trúc tinh thể
• 1.3.2. Giản đồ pha của hợp kim Mn-Bi
• 1.3.3. Tính chất từ
• 1.3.4. Phương pháp chế tạo
• 2. CHƯƠNG 2: KĨ THUẬT THỰC NGHIỆM
• 2.1. Quy trình chế tạo mẫu
• 2.2. Thiết bị chế tạo mẫu
• 2.3. Phương pháp nấu hồ quang
• 2.4. Phương pháp phun băng nguội nhanh
• 2.5. Các phương pháp khảo sát cấu trúc
• 2.6. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM)
• 2.7. Phương pháp nhiễu xạ tia X
• 2.8. Các phép đo nghiên cứu tính chất từ
• 2.8.1. Các phép đo từ nhiệt trên hệ từ kế mẫu rung (VSM)
• 2.8.2. Phép đo từ trễ trên hệ từ trường xung (PFM)
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Cấu trúc và tính chất từ của mẫu băng
• 3.2. Cấu trúc và tính chất từ của mẫu bột nghiền
• 3.3. Ảnh hưởng của xử lí nhiệt lên cấu trúc và tính chất từ của mẫu bột
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về ảnh hưởng của thời gian nghiền đến tính chất từ của vật liệu Mn Bi

Vật liệu từ cứng Mn-Bi đang thu hút sự chú ý trong nghiên cứu vật liệu từ nhờ vào tính chất từ tốt và giá thành hợp lý. Thời gian nghiền là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến cấu trúc và tính chất từ của vật liệu này. Nghiên cứu cho thấy rằng thời gian nghiền có thể làm thay đổi kích thước hạt, cấu trúc tinh thể và các tính chất từ của hợp kim Mn-Bi. Việc hiểu rõ ảnh hưởng này sẽ giúp tối ưu hóa quy trình chế tạo và nâng cao hiệu suất của vật liệu.

1.1. Tìm hiểu về vật liệu từ cứng Mn Bi và tính chất từ

Hợp kim Mn-Bi có cấu trúc tinh thể đặc biệt và tính chất từ nổi bật. Nghiên cứu cho thấy rằng hợp kim này có thể hoạt động hiệu quả trong nhiều ứng dụng công nghệ cao. Tính chất từ của Mn-Bi được xác định bởi cấu trúc tinh thể và các yếu tố bên ngoài như nhiệt độ và thời gian nghiền.

1.2. Vai trò của thời gian nghiền trong quá trình chế tạo

Thời gian nghiền ảnh hưởng trực tiếp đến kích thước hạt và cấu trúc của vật liệu. Nghiên cứu cho thấy rằng thời gian nghiền dài có thể dẫn đến sự gia tăng tính chất từ của hợp kim Mn-Bi, từ đó cải thiện hiệu suất của vật liệu trong ứng dụng thực tiễn.

II. Thách thức trong nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian nghiền đến tính chất từ

Mặc dù có nhiều nghiên cứu về ảnh hưởng của thời gian nghiền, nhưng vẫn còn nhiều thách thức trong việc xác định chính xác mối quan hệ giữa thời gian nghiền và tính chất từ của vật liệu Mn-Bi. Các yếu tố như nhiệt độ, áp suất và phương pháp nghiền cũng cần được xem xét. Việc kiểm soát các yếu tố này là rất quan trọng để đạt được kết quả chính xác.

2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất từ của vật liệu

Ngoài thời gian nghiền, nhiệt độ và áp suất cũng có ảnh hưởng lớn đến tính chất từ của hợp kim Mn-Bi. Nghiên cứu cho thấy rằng việc tối ưu hóa các yếu tố này có thể giúp cải thiện đáng kể tính chất từ của vật liệu.

2.2. Khó khăn trong việc kiểm soát quy trình nghiền

Quá trình nghiền có thể gặp phải nhiều khó khăn như sự không đồng nhất trong kích thước hạt và cấu trúc. Điều này có thể dẫn đến sự biến đổi không mong muốn trong tính chất từ của vật liệu, làm giảm hiệu quả ứng dụng.

III. Phương pháp nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian nghiền đến tính chất từ

Để nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian nghiền đến tính chất từ của vật liệu Mn-Bi, các phương pháp thực nghiệm như nghiền cơ năng lượng cao và xử lý nhiệt được áp dụng. Các mẫu được chế tạo và khảo sát bằng các thiết bị hiện đại như hiển vi điện tử quét (SEM) và nhiễu xạ tia X (XRD).

3.1. Quy trình chế tạo mẫu vật liệu Mn Bi

Mẫu vật liệu Mn-Bi được chế tạo thông qua quy trình nghiền cơ năng lượng cao. Quy trình này giúp tạo ra các hạt có kích thước nhỏ và đồng nhất, từ đó cải thiện tính chất từ của vật liệu.

3.2. Phương pháp khảo sát tính chất từ của mẫu

Các tính chất từ của mẫu được khảo sát bằng hệ đo từ kế mẫu rung (VSM) và phép đo từ trễ trên hệ từ trường xung (PFM). Những phương pháp này cho phép đánh giá chính xác tính chất từ của vật liệu trong các điều kiện khác nhau.

IV. Kết quả nghiên cứu về ảnh hưởng của thời gian nghiền đến tính chất từ

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng thời gian nghiền có ảnh hưởng rõ rệt đến tính chất từ của vật liệu Mn-Bi. Các mẫu nghiền trong thời gian dài cho thấy sự gia tăng đáng kể về lực kháng từ và từ độ bão hòa. Điều này mở ra hướng đi mới cho việc tối ưu hóa quy trình chế tạo vật liệu từ cứng.

4.1. Sự thay đổi tính chất từ theo thời gian nghiền

Nghiên cứu cho thấy rằng khi thời gian nghiền tăng, lực kháng từ và từ độ bão hòa của hợp kim Mn-Bi cũng tăng theo. Điều này chứng tỏ rằng thời gian nghiền là yếu tố quan trọng trong việc cải thiện tính chất từ của vật liệu.

4.2. Ứng dụng thực tiễn của vật liệu Mn Bi sau nghiên cứu

Với những cải thiện về tính chất từ, vật liệu Mn-Bi có thể được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như công nghệ điện tử, y học và quân sự. Điều này mở ra nhiều cơ hội mới cho việc phát triển các sản phẩm công nghệ cao.

V. Kết luận và triển vọng nghiên cứu về vật liệu Mn Bi

Nghiên cứu về ảnh hưởng của thời gian nghiền đến tính chất từ của vật liệu Mn-Bi đã chỉ ra rằng thời gian nghiền là yếu tố quyết định trong việc cải thiện tính chất từ. Các kết quả đạt được không chỉ có giá trị lý thuyết mà còn có ý nghĩa thực tiễn cao trong việc phát triển vật liệu từ cứng mới.

5.1. Tóm tắt kết quả nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng thời gian nghiền có ảnh hưởng tích cực đến tính chất từ của vật liệu Mn-Bi. Việc tối ưu hóa quy trình nghiền sẽ giúp nâng cao hiệu suất của vật liệu.

5.2. Hướng nghiên cứu trong tương lai

Trong tương lai, cần tiếp tục nghiên cứu sâu hơn về các yếu tố khác ảnh hưởng đến tính chất từ của vật liệu Mn-Bi. Việc phát triển các phương pháp chế tạo mới cũng sẽ là một hướng đi quan trọng để nâng cao chất lượng vật liệu.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Vật liệu từ cứng (VLTC) hay nam châm vĩnh cửu (NCVC) giữ vai trò then chốt trong nhiều ngành kỹ thuật và đời sống như thiết bị âm thanh, ổ cứng, máy phát điện, động cơ điện, cảm biến và chụp cộng hưởng từ (MRI). Trong thế kỷ 20, sự ra đời của các hệ nam châm đất hiếm như $\text{SmCo}$ và $\text{NdFeB}$ đã tạo bước tiến lớn về năng lượng từ. Tuy nhiên, các nguyên tố đất hiếm đang đối mặt với sự cạn kiệt nguồn cung, giá thành biến động và quy trình khai thác gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Bên cạnh đó, nam châm đất hiếm có độ bền hóa học kém do dễ bị ôxy hóa và hệ $\text{NdFeB}$ có nhiệt độ Curie tương đối thấp ($T_c \approx 312^\circ\text{C}$), gây hạn chế khi vận hành ở nhiệt độ cao.

Nhằm giảm thiểu sự phụ thuộc vào đất hiếm và hạ giá thành sản xuất, các hướng nghiên cứu hiện nay tập trung vào các hệ hợp kim từ cứng không chứa đất hiếm gốc Mangan như $\text{Mn-Ga-Al}$, $\text{Mn-Ga}$, $\text{Mn-Al}$ và đặc biệt là $\text{Mn-Bi}$. Hợp chất $\text{Mn-Bi}$ sở hữu các ưu điểm: nguồn nguyên liệu dồi dào, giá thành thấp, không chứa đất hiếm và có đặc tính dị hướng từ tinh thể cao. Đặc biệt, trong khoảng nhiệt độ từ $150\text{ K}$ đến $550\text{ K}$, lực kháng từ ($H_c$) của $\text{Mn-Bi}$ tăng theo nhiệt độ, cho phép vật liệu hoạt động hiệu quả trong môi trường nhiệt độ cao (như động cơ phản lực) mà không bị suy giảm từ tính.

Khóa luận tốt nghiệp của sinh viên Phùng Thị Hiền (Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2, thực hiện dưới sự hướng dẫn của ThS. GVC Nguyễn Mẫu Lâm, bảo vệ tháng 05/2018) được triển khai nhằm khảo sát thực nghiệm quy trình chế tạo và đánh giá sự thay đổi tính chất từ của hệ hợp kim này.

• Mục tiêu nghiên cứu: Khảo sát ảnh hưởng của thời gian nghiền lên cấu trúc và tính chất từ của vật liệu từ cứng $\text{Mn-Bi}$.
• Giả thuyết khoa học: Vật liệu từ cứng $\text{Mn-Bi}$ có tính chất từ tốt có thể được chế tạo bằng phương pháp nghiền cơ năng lượng cao kết hợp xử lý nhiệt thích hợp.
• Nhiệm vụ nghiên cứu (theo văn bản):
  1. Tìm hiểu lý thuyết về cấu trúc và tính chất từ của hệ hợp kim $\text{Mn-Bi}$.
  2. Nghiên cứu quy trình công nghệ chế tạo hợp kim $\text{Mn-Bi}$ bằng phương pháp nghiền cơ năng lượng cao và xử lý nhiệt.
  3. Khảo sát cấu trúc vi mô và thành phần pha của mẫu.
  4. Khảo sát các thông số từ tính của mẫu chế tạo được.
• Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
  • Đối tượng: Hệ hợp kim từ cứng $\text{Mn-Bi}$ (thành phần danh định $\text{Mn}{50}\text{Bi}{50}$).
  • Phạm vi nội dung: Khảo sát các mốc thời gian nghiền cơ năng lượng cao ($0{,}5\text{ h}$, $1\text{ h}$, $2\text{ h}$, $4\text{ h}$) và các chế độ ủ nhiệt ($260^\circ\text{C}$, $280^\circ\text{C}$, $300^\circ\text{C}$ trong thời gian $1\text{ h}$, $2\text{ h}$, $3\text{ h}$).
  • Phạm vi thiết bị: Thực nghiệm chế tạo và phân tích được tiến hành tại Viện Khoa học Vật liệu (Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam) và Trường Đại học Khoa học Tự nhiên.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp thực nghiệm

Khung lý thuyết và mô hình vật lý

Hợp kim $\text{Mn-Bi}$ kết tinh ở hai trạng thái pha chính: pha nhiệt độ thấp (Low Temperature Phase - LTP) và pha nhiệt độ cao (High Temperature Phase - HTP).

• Cấu trúc tinh thể pha LTP: Thuộc cấu trúc $\text{NiAs}$ kiểu lục giác, nhóm không gian $P6_3/mmc$. Tham số ô mạng cơ sở ở nhiệt độ phòng là $a = b = 4{,}2827\text{ \AA}$, $c = 6{,}1103\text{ \AA}$. Nguyên tử $\text{Mn}$ chiếm các vị trí đỉnh và trung điểm các cạnh, nguyên tử $\text{Bi}$ nằm xen kẽ. Tỷ lệ tham số mạng $c/a$ đạt cực đại $1{,}43346$ tại $600\text{ K}$.
• Cơ chế sắt từ theo đường cong Bethe – Slater: Ở trạng thái kim loại đơn chất, khoảng cách giữa các nguyên tử $\text{Mn}$ nhỏ ($2{,}754\text{ \AA}$), tích phân trao đổi năng lượng $E < 0$ khiến $\text{Mn}$ thể hiện tính chất phản sắt từ. Khi kết hợp với $\text{Bi}$ tạo hợp chất $\text{Mn-Bi}$, các nguyên tử $\text{Bi}$ xen kẽ làm giãn khoảng cách giữa các nguyên tử $\text{Mn}$ lên vùng $3{,}0381\text{ \AA} - 3{,}0825\text{ \AA}$ (ứng với khoảng nhiệt độ $10\text{ K} - 600\text{ K}$), đưa tích phân trao đổi sang giá trị dương ($E > 0$), tạo nên trật tự sắt từ.
• Quy luật từ độ theo lý thuyết sóng spin Bloch: Từ độ tự phát ở vùng nhiệt độ thấp tuân theo biểu thức: $$I_S = I_0(1 - \alpha T^{3/2})$$ (Trong đó $I_0$ là từ độ tại $0\text{ K}$, $\alpha$ là hệ số phụ thuộc dạng mạng tinh thể và tích phân trao đổi).
• Giới hạn tích năng lượng từ cực đại $(BH)_{\text{max}}$: Theo tính toán lý thuyết, $(BH)_{\text{max}} = M_s^2 / 4 \approx 17{,}6\text{ MGOe}$.

Phương pháp nghiên cứu và quy trình công nghệ

Nghiên cứu sử dụng phương pháp thực nghiệm vật lý chất rắn kết hợp các kỹ thuật luyện kim bột và phân tích cấu trúc, từ tính.

Công đoạn	Thiết bị / Phương pháp	Thông số kỹ thuật thực nghiệm
Nấu hợp kim	Lò hồ quang chân không	Hợp phần $\text{Mn}{50}\text{Bi}{50}$, độ sạch nguyên liệu $99{,}9%$; bù $15%$ khối lượng $\text{Mn}$; chân không $10^{-2}\text{ Torr}$; dùng viên $\text{Ti}$ khử ôxy dư; nấu lật $5-6$ lần trong khí $\text{Ar}$.
Phun băng nguội nhanh	Hệ phun đơn trục $\text{ZKG-1}$	Nồi thạch anh vòi phun $\Phi = 1{,}2\text{ mm}$, tốc độ trống đồng quay $v = 5\text{ m/s}$, phun dưới áp suất khí $\text{Ar}$.
Nghiền cơ năng lượng cao	Máy nghiền bi $\text{SPEX 8000D}$	Thực hiện trong buồng găng khí $\text{Ar}$; tỷ lệ bi/bột là $10:1$; thời gian nghiền khảo sát: $0{,}5\text{ h}$, $1\text{ h}$, $2\text{ h}$, $4\text{ h}$.
Tạo hình mẫu	Khuôn ép cơ học	Ép mẫu bột thành khối trụ kích thước $3 \times 3\text{ mm}$, áp lực ép $80\text{ kg/cm}^2$.
Ủ nhiệt	Lò nung $\text{Lindberg Blue M}$	Kỹ thuật ủ ngắt trong ống kim loại hút chân không nạp $\text{Ar}$; nhiệt độ $260^\circ\text{C}, 280^\circ\text{C}, 300^\circ\text{C}$; thời gian $1\text{ h}, 2\text{ h}, 3\text{ h}$; tôi nhanh trong nước.
Khảo sát cấu trúc vi mô	Kính hiển vi điện tử quét FE-SEM ($\text{Hitachi S-4800}$)	Độ phóng đại tối đa $200.000$ lần, độ phân giải $2\text{ nm}$ tại điện thế gia tốc $1\text{ kV}$.
Phân tích pha tinh thể	Nhiễu xạ tia X XRD ($\text{D8 Advance Bruker}$)	Bức xạ $\text{Cu-K}_\alpha$; xác định điều kiện phản xạ theo định luật Bragg ($2d\sin\theta = n\lambda$) và cỡ hạt theo công thức Scherrer ($D = \frac{0{,}9\lambda}{\beta\cos\theta}$).
Đo từ tính trường thấp/nhiệt	Hệ từ kế mẫu rung (VSM)	Độ nhạy $10^{-4}\text{ emu}$, từ trường quét từ $-12\text{ kOe}$ đến $+12\text{ kOe}$, nhiệt độ đo $77\text{ K} - 1000\text{ K}$.
Đo từ trễ trường cao	Hệ đo từ trường xung (PFM)	Dòng phóng xung tụ điện nạp xả qua cuộn dây từ trường cực đại đạt $90\text{ kOe} - 100\text{ kOe}$.

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về vật liệu từ cứng

Chương này tổng kết lịch sử phát triển vật liệu từ cứng từ quặng $\text{Fe}3\text{O}4$ tự nhiên, nam châm nhân tạo đầu tiên năm 1740 ($(BH){\text{max}} = 1\text{ MGOe}$), thép Côban (1917), hợp kim $\text{AlNiCo}$ (1931 - 1956 với $T_c \approx 850^\circ\text{C}$, $(BH){\text{max}} \approx 10\text{ MGOe}$), nam châm $\text{Ferrite}$ $\text{MFe}{12}\text{O}{19}$ (thập niên 1950, chiếm hơn $50%$ thị phần thương mại toàn cầu), cho đến bước phát minh nam châm đất hiếm $\text{SmCo}5$ (1966), $\text{Sm}2\text{Co}{17}$ (1972) và $\text{Nd}2\text{Fe}{14}\text{B}$ (1983) đạt $(BH){\text{max}}$ trên $36 - 57\text{ MGOe}$.

Tác giả phân tích chuyên sâu về hệ vật liệu $\text{Mn-Bi}$:

• Giản đồ pha $\text{Mn-Bi}$ cho thấy dưới nhiệt độ eutectoid $T_E = 535\text{ K}$, pha $\text{MnBi}$ đồng tồn tại với các vùng giàu $\text{Bi}$ hoặc giàu $\text{Mn}$ tùy tỷ lệ thành phần. Để thu được pha $\text{MnBi}$ hoàn toàn không dư tạp chất, tỷ lệ nguyên tử $\text{Mn:Bi}$ bắt buộc phải đạt chính xác $1:1$ ($50\text{ at}%\text{ Mn} - 50\text{ at}%\text{ Bi}$). Khi vượt quá nhiệt độ phân hủy $T_{p1} = 628\text{ K}$, cấu trúc $\text{MnBi}$ phân rã thành pha lỏng và $\text{Mn}_{1.08}\text{Bi}$.
• Sự biến thiên của mômen từ nguyên tử $\text{Mn}$ và góc $\beta$ (giữa mômen từ và trục $c$) theo nhiệt độ: tại $10\text{ K}$, mômen từ đạt $3{,}997\text{ }\mu_B$ và góc $\beta = 89{,}1^\circ$; khi nhiệt độ tăng đến $600\text{ K}$, mômen từ giảm về $1{,}411\text{ }\mu_B$ và góc $\beta$ giảm còn $34{,}37^\circ$.
• Lực kháng từ $H_c$ ở pha LTP đạt $1{,}5\text{ T}$ ($15\text{ kOe}$) tại $300\text{ K}$, tăng lên $2\text{ T}$ tại $400\text{ K}$, đạt đỉnh $25\text{ kOe}$ tại $540\text{ K}$, sau đó giảm dần xuống $18\text{ kOe}$ tại $610\text{ K}$.

Chương 2: Kĩ thuật thực nghiệm

Chương 2 mô tả chi tiết quy trình chế tạo mẫu và nguyên lý vận hành của các thiết bị thực nghiệm:

• Quy trình chống ôxy hóa: Do $\text{Mn}$ và $\text{Bi}$ rất nhạy với ôxy ở nhiệt độ cao, toàn bộ các khâu nạp liệu, bẻ mẫu, nghiền bi và lấy mẫu bột đều được tiến hành bên trong buồng găng ($\text{BOX}$) chứa khí trơ $\text{Ar}$ với quy trình rút chân không và xả $\text{Ar}$ tuần hoàn $2 - 3$ lần.
• Kỹ thuật nấu hồ quang và phun nguội nhanh: Sử dụng dòng hồ quang điện làm nóng chảy phôi mẫu $15\text{ g}$ với điện cực vonfram trong chén đồng làm mát bằng nước. Băng nguội nhanh được tạo trên thiết bị $\text{ZKG-1}$ bằng cách dùng áp lực khí nén đẩy dòng kim loại lỏng qua vòi thạch anh $1{,}2\text{ mm}$ tiếp xúc lên mặt tang trống đồng quay với vận tốc dài $5\text{ m/s}$.
• Kỹ thuật nghiền cơ năng lượng cao và xử lý nhiệt: Máy nghiền $\text{SPEX 8000D}$ với tần số lắc hàng nghìn lần/phút làm vỡ hạt nhờ va đập cơ học giữa bi và thành cối. Bột nghiền được nén thành khối $3 \times 3\text{ mm}$ ở áp lực $80\text{ kg/cm}^2$, sau đó đưa vào ống kim loại hút chân không để ủ ngắt trong lò $\text{Lindberg Blue M}$ và làm nguội nhanh trong nước nhằm khóa pha mong muốn.
• Nguyên lý các phép đo: Phân tích cấu trúc bề mặt qua tín hiệu điện tử thứ cấp trên kính FE-SEM $\text{Hitachi S-4800}$; phân tích pha qua phổ tán xạ tia X trên máy $\text{D8 Advance}$; đo từ tính trên hệ VSM dựa vào suất điện động cảm ứng $e = M \omega A G(r) \cos(\omega t)$ trong dải trường $\pm 12\text{ kOe}$; đo đường cong từ trễ trường cao trên hệ PFM phóng xung tụ điện tạo từ trường xung cực đại $90 - 100\text{ kOe}$.

Chương 3: Kết quả và thảo luận

Tác giả trình bày các số liệu và phân tích thực nghiệm qua ba giai đoạn tiến trình chế tạo:

1. Cấu trúc và tính chất từ của mẫu băng:

   • Phổ XRD của mẫu băng $\text{Mn}{50}\text{Bi}{50}$ sau khi phun ở tốc độ $5\text{ m/s}$ cho thấy sự xuất hiện của các đỉnh nhiễu xạ đặc trưng cho $\text{MnBi}$, $\text{Mn}$ và $\text{Bi}$ riêng rẽ. Đỉnh của pha $\text{Bi}$ có số lượng nhiều và cường độ vượt trội, trong khi cường độ đỉnh của pha $\text{MnBi}$ rất yếu.
   • Kết quả đo từ tính trên hệ VSM xác nhận mẫu băng có từ tính kém: từ độ bão hòa $M_s < 4\text{ emu/g}$ và lực kháng từ $H_c \approx 3{,}5\text{ kOe}$. Tốc độ làm nguội $5\text{ m/s}$ chưa đủ điều kiện để hợp kim hóa hoàn toàn đơn pha $\text{MnBi}$.

2. Cấu trúc và tính chất từ của mẫu bột nghiền:

   • Ảnh SEM cho thấy mẫu nghiền $0{,}5\text{ h}$ có kích thước hạt không đồng đều, dao động trong khoảng $1 - 3\text{ }\mu\text{m}$. Khi tăng thời gian nghiền lên $1\text{ h}$, kích thước hạt giảm mạnh xuống cấp nanomet, đạt khoảng $50 - 70\text{ nm}$. Tiếp tục tăng thời gian nghiền lên $4\text{ h}$, kích thước hạt chỉ giảm nhẹ xuống khoảng $40 - 60\text{ nm}$.
   • Phổ XRD của mẫu bột cho thấy các đỉnh đặc trưng của $\text{Mn}$ tự do biến mất hoàn toàn, cường độ các đỉnh $\text{Bi}$ giảm rõ rệt và cường độ các đỉnh pha $\text{MnBi}$ tăng lên.
   • Đường cong từ trễ cho thấy sự cải thiện vượt bậc về thông số từ: từ độ bão hòa tăng lên $M_s \approx 20\text{ emu/g}$ và lực kháng từ tăng mạnh đạt $H_c \approx 20\text{ kOe}$.

3. Ảnh hưởng của xử lý nhiệt lên cấu trúc và tính chất từ:

   • Mẫu bột sau khi nghiền cơ năng lượng cao được ủ nhiệt ở các mức $260^\circ\text{C}$, $280^\circ\text{C}$ và $300^\circ\text{C}$ trong thời gian $1\text{ h}$, $2\text{ h}$ và $3\text{ h}$ nhằm kích thích quá trình phản ứng pha rắn giữa các hạt nano $\text{Mn}$ và $\text{Bi}$ còn dư, nâng cao tỷ phần pha từ cứng LTP $\text{MnBi}$.

---

Kết quả và đóng góp

Bảng tổng hợp số liệu thực nghiệm

Mẫu / Trạng thái xử lý	Pha tinh thể quan sát (XRD)	Kích thước hạt (SEM)	Từ độ bão hòa ($M_s$)	Lực kháng từ ($H_c$)
Mẫu băng ($\text{Mn}{50}\text{Bi}{50}$, $v=5\text{ m/s}$)	Tách pha: $\text{Bi}$ (ưu thế), $\text{Mn}$, $\text{MnBi}$ (rất yếu)	Dạng băng mỏng liên tục	$< 4\text{ emu/g}$	$\approx 3{,}5\text{ kOe}$
Bột nghiền $0{,}5\text{ h}$	$\text{MnBi}$, $\text{Bi}$ dư	$1 - 3\text{ }\mu\text{m}$ (không đều)	Chưa bão hòa tốt	Thấp
Bột nghiền $1\text{ h}$	$\text{MnBi}$ (tăng), $\text{Bi}$ (giảm), mất đỉnh $\text{Mn}$	$50 - 70\text{ nm}$	$\approx 20\text{ emu/g}$	$\approx 20\text{ kOe}$
Bột nghiền $4\text{ h}$	$\text{MnBi}$ chiếm chủ đạo	$40 - 60\text{ nm}$	$\approx 20\text{ emu/g}$	$\approx 20\text{ kOe}$

Đóng góp và giải pháp kỹ thuật

• Xác lập quy trình công nghệ: Thiết lập hoàn chỉnh quy trình thực nghiệm kết hợp nấu hồ quang (bù $15%\text{ Mn}$) $\rightarrow$ phun băng nguội nhanh ($5\text{ m/s}$) $\rightarrow$ nghiền cơ năng lượng cao ($\text{SPEX 8000D}$) $\rightarrow$ ép khối hình trụ ($80\text{ kg/cm}^2$) $\rightarrow$ ủ ngắt nhiệt chân không/Ar.
• Tối ưu hóa thời gian nghiền: Chứng minh thời gian nghiền $1\text{ h}$ là mốc tối ưu để đưa kích thước hạt về kích cỡ $50 - 70\text{ nm}$, làm tăng lực kháng từ lên gấp gần 6 lần (từ $3{,}5\text{ kOe}$ lên $\approx 20\text{ kOe}$) và từ độ bão hòa tăng từ $<4\text{ emu/g}$ lên $\approx 20\text{ emu/g}$. Việc kéo dài thời gian nghiền lên $4\text{ h}$ không làm thay đổi đáng kể kích thước hạt ($40 - 60\text{ nm}$) và tính chất từ.
• Kiểm soát oxy hóa: Thực nghiệm thành công kỹ thuật thao tác bột trong buồng găng khí trơ $\text{Ar}$ và ủ mẫu trong ống hút chân không xả $\text{Ar}$, giải quyết được hiện tượng ôxy hóa của bột kim loại mịn $\text{Mn-Bi}$.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

• Hạn chế của đề tài:

  • Nghiên cứu tập trung chủ yếu vào tỷ lệ hợp phần danh định $\text{Mn}{50}\text{Bi}{50}$, chưa khảo sát thực nghiệm sâu trên toàn bộ dải nồng độ thay đổi $\text{Mn}_{100-x}\text{Bi}_x$ ($x = 48, 52$).
  • Mẫu bột sau nghiền tuy đã tạo được pha $\text{MnBi}$ nhưng tỷ phần pha vẫn chưa đạt mức đơn pha lý tưởng; từ độ bão hòa ($M_s \approx 20\text{ emu/g}$) vẫn thấp hơn giá trị lý thuyết của pha LTP đơn tinh thể ($75 - 82\text{ emu/g}$).
  • Do giới hạn dải đo của hệ từ kế mẫu rung VSM thông thường ($\pm 12\text{ kOe}$), các phép đo đường cong từ trễ có lực kháng từ cao ($H_c \ge 20\text{ kOe}$) phải phụ thuộc vào hệ đo từ trường xung (PFM).

• Hướng nghiên cứu tiếp:

  • Khảo sát chi tiết ảnh hưởng của các chế độ ủ nhiệt khác nhau (nhiệt độ $260^\circ\text{C} - 300^\circ\text{C}$, thời gian $1 - 3\text{ h}$) để tối đa hóa tỷ phần pha sắt từ LTP.
  • Nghiên cứu định hướng từ cho bột $\text{MnBi}$ trong quá trình ép tạo viên nam châm khối dị hướng nhằm nâng cao độ từ dư $B_r$ và tích năng lượng cực đại $(BH)_{\text{max}}$.
  • Nghiên cứu kết hợp pha từ cứng $\text{Mn-Bi}$ với các pha từ mềm để chế tạo nam châm tổ hợp nano (nanocomposite).

---

Giá trị tham khảo

• Đối tượng thụ hưởng:
  • Sinh viên, học viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành Vật lý chất rắn, Khoa học vật liệu, Kỹ thuật vật liệu và Luyện kim.
  • Các nhóm nghiên cứu về vật liệu từ liên kim không chứa đất hiếm, công nghệ chế tạo bột nano và nam châm vĩnh cửu nhiệt độ cao.
• Nội dung có giá trị tham khảo cao:
  • Quy trình thao tác thực nghiệm chi tiết với vật liệu dễ bay hơi và dễ ôxy hóa (kỹ thuật bù khối lượng $\text{Mn}$ khi nấu hồ quang, quy trình vận hành buồng găng $\text{BOX}$ khí $\text{Ar}$).
  • Các thông số thực nghiệm chuẩn của hệ máy nghiền bi $\text{SPEX 8000D}$ (tỷ lệ bi/bột $10:1$, thời gian $1\text{ h}$ đạt hạt $50 - 70\text{ nm}$).
  • Phương pháp luận kết hợp đồng thời các phép đo cấu trúc (XRD, SEM) và phép đo từ tính trường cao (VSM, PFM) để đánh giá vật liệu từ cứng.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao hợp kim $\text{Mn-Bi}$ lại có tính chất sắt từ trong khi $\text{Mn}$ là kim loại phản sắt từ và $\text{Bi}$ là kim loại phi từ?
Trả lời: Dựa trên đường cong trao đổi năng lượng Bethe – Slater, ở trạng thái kim loại nguyên chất, khoảng cách giữa các nguyên tử $\text{Mn}$ nhỏ ($2{,}754\text{ \AA}$) nên tích phân trao đổi năng lượng mang giá trị âm ($E < 0$). Khi kết hợp với $\text{Bi}$ tạo pha $\text{MnBi}$, các nguyên tử $\text{Bi}$ nằm xen kẽ làm giãn khoảng cách giữa các nguyên tử $\text{Mn}$ lên mức $3{,}0381\text{ \AA} - 3{,}0825\text{ \AA}$, đưa tích phân trao đổi sang giá trị dương ($E > 0$), làm xuất hiện tính chất sắt từ dưới nhiệt độ $628\text{ K}$.

2. Tại sao phải bù thêm 15% khối lượng Mangan trước khi nấu hồ quang?
Trả lời: Trong quá trình nấu luyện bằng hồ quang điện ở nhiệt độ cao, kim loại Mangan ($\text{Mn}$) có áp suất hơi cao và bị bay hơi rất mạnh. Việc cân dư thêm $15%$ khối lượng $\text{Mn}$ ban đầu nhằm bù đắp lượng hao hụt do bay hơi, đảm bảo hợp kim sau khi nấu đạt đúng tỷ lệ hợp phần danh định $\text{Mn}{50}\text{Bi}{50}$.

3. Phương pháp phun băng nguội nhanh đơn thuần ở tốc độ 5 m/s có tạo được đơn pha từ cứng $\text{MnBi}$ không?
Trả lời: Không. Kết quả phân tích giản đồ XRD cho thấy mẫu băng sau khi phun ở tốc độ $5\text{ m/s}$ xuất hiện sự phân tách pha rõ rệt gồm các tinh thể $\text{Bi}$ và $\text{Mn}$ tự do, trong khi đỉnh pha $\text{MnBi}$ rất yếu. Phép đo từ tính cho thấy từ độ bão hòa rất thấp ($M_s < 4\text{ emu/g}$) và lực kháng từ chỉ đạt $H_c \approx 3{,}5\text{ kOe}$.

4. Thời gian nghiền cơ năng lượng cao ảnh hưởng như thế nào đến kích thước hạt và tính chất từ của mẫu?
Trả lời: Khi nghiền $0{,}5\text{ h}$, hạt có kích thước lớn $1 - 3\text{ }\mu\text{m}$ không đồng đều. Tăng thời gian nghiền lên $1\text{ h}$, kích thước hạt giảm mạnh xuống cấp nano ($50 - 70\text{ nm}$), các đỉnh $\text{Mn}$ tự do biến mất trên phổ XRD, lực kháng từ tăng vọt lên $H_c \approx 20\text{ kOe}$ và từ độ bão hòa đạt $M_s \approx 20\text{ emu/g}$. Khi tiếp tục tăng thời gian nghiền lên $4\text{ h}$, kích thước hạt chỉ giảm nhẹ ($40 - 60\text{ nm}$) và tính chất từ không thay đổi đáng kể so với mẫu nghiền $1\text{ h}$.

5. Vì sao mẫu bột sau khi nghiền phải được ép thành khối trụ $3 \times 3\text{ mm}$ trước khi xử lý nhiệt và đo đạc?
Trả lời: Bột hợp kim sau khi nghiền đạt kích thước nanomet nên diện tích tiếp xúc bề mặt lớn, rất dễ bị ôxy hóa nhanh trong không khí. Việc ép mẫu thành viên trụ $3 \times 3\text{ mm}$ dưới áp lực $80\text{ kg/cm}^2$ giúp hạn chế quá trình ôxy hóa, cố định cấu trúc hình học để thuận tiện cho việc ủ nhiệt trong ống chân không và loại bỏ hiệu ứng trường khử từ cũng như chống xáo trộn hạt trong quá trình đo trên hệ VSM/PFM.

---

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Phùng Thị Hiền đã nghiên cứu thực nghiệm thành công ảnh hưởng của thời gian nghiền cơ năng lượng cao lên cấu trúc vi mô và tính chất từ của hệ hợp kim không chứa đất hiếm $\text{Mn}{50}\text{Bi}{50}$. Kết quả thực nghiệm khẳng định phương pháp nghiền bi trên máy $\text{SPEX 8000D}$ với thời gian $1\text{ h}$ giúp chuyển hóa cấu trúc hạt về kích thước nanomet ($50 - 70\text{ nm}$), thúc đẩy hình thành pha từ cứng LTP $\text{MnBi}$ với lực kháng từ đạt xấp xỉ $20\text{ kOe}$ và từ độ bão hòa đạt khoảng $20\text{ emu/g}$. Công trình cung cấp quy trình công nghệ chi tiết và các dẫn liệu thực nghiệm có giá trị cho hướng nghiên cứu phát triển vật liệu từ cứng hoạt động ở nhiệt độ cao thay thế nam châm đất hiếm.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU TỪ CỨNG. Lịch sử phát triển của vật liệu từ cứng. Lịch sử phát triển vật liệu từ cứng. Vật liệu từ cứng (VLTC) hay nam châm vĩnh cửu (NCVC) đã được tìm ra từ những năm trước công nguyên bởi người Trung Quốc và Hy Lạp cổ đại, nam châm đầu tiên được phát hiện chỉ là loại quặng ôxit sắt Fe3O4 có sẵn trong tự nhiên.

Mãi đến năm 1740, NCVC đầu tiên được chế tạo tích năng lượng khá thấp (BH)max = 1 MGOe, do đó, để có thể chế tạo được các NCVC tích năng lượng cực đại (BH)max cao hơn nhiều lần thì cần rất nhiều vật liệu. Trong thế kỉ 20, những bước đột phá về chất lượng và phạm vi ứng dụng đã diễn ra đánh dấu sự phát triển vượt bậc trong lĩnh vực VLTC, các nhà khoa học đã thực hiện rất nhiều nghiên cứu nhằm mục đích cải thiện và nâng cao phẩm chất từ của VLTC đã có. Từ đó, vật liệu từ cứng với các pha khác nhau được phát triển và đã đạt được thành công lớn với (BH)max tăng từ 1 MGOe đến gần 60 MGOe được thể hiện như trong hình 1. Sự phát triển của nam châm vĩnh cửu trong thế kỉ 20 [1].1, ta thấy bình quân thì cứ sau khoảng 20 năm thì giá trị (BH)max của nam châm vĩnh cửu tăng gấp khoảng 3 lần [6].

5 Năm 1917, nam châm thép Côban được phát minh ở Nhật Bản, đến năm 1931, họ nam châm AlNiCo là hợp kim của nhôm (Al), Niken (Ni) và Côban (Co) được Mishima Nhật Bản chế tạo và sử dụng rộng rãi. Ban đầu thì (BH)max của nam châm AlNiCo cũng chỉ đạt được cỡ 1 MGOe nhưng bằng cách thay đổi tỉ phần, thay đổi công nghệ chế tạo thì (BH)max của vật liệu này dần được tăng lên. Đến năm 1956, hợp kim AlNiCo9 có (BH)max đạt cỡ 10 MGOe, nhờ có nhiệt độ Curie cao (850oC) nên ngày nay loại nam châm này vẫn được chế tạo và sử dụng. Những năm đầu của thập niên 50, nam châm ferit Nhiệt tổng hợp được khám phá bởi công ty Philip của Hà Lan.

Đây là loại nam châm thương mại quan trọng nhất trong vài thập kỉ qua do chúng có câu trúc dị hướng lục giác với công thức hóa học là MFe12O19 (M có thể là Ba, Sr, Pb hoặc tổ hợp của chúng). Tuy nhiên đây là một loại nam châm có hàm lượng ôxy cao nên từ độ khá thấp, lực kháng từ từ 3 đến 6 kOe, có khả năng tích năng lượng thấp (BH)max không quá 6 MGOe, nhưng hiện nay loại nam châm này lại chiếm khoảng hơn 50% tổng giá trị NCVC của toàn thế giới do ưu điểm về giá thành rẻ, sự phong phú của nguyên liệu, chi phí sản xuất thấp và độ bền cao. Thập niên 60 của thế kỉ 20, lần đầu tiên các nhà nghiên cứu khoa học đã phát hiện ra NCVC chứa đất hiếm, đánh dấu bước đột phá rất lớn trong lịch sử phát triển của VLTC. Năm 1966, Karl Strnat của U.S Air Force Materials Laboratory (phòng thí nghiệm Vật liệu Không quân Hoa Kì) là người đầu tiên đã phát hiện ra hợp kim SmCo đây là loại một loại nam châm đất hiếm mạnh, dựa trên hợp chất của hai kim loại chính là nguyên tố đất hiếm Côban (Co) và kim loại Samarium (Sm).

Loại nam châm này có khả năng hoạt động ở nhiệt độ cao (trên 500 oC) nhờ có nhiệt độ Curie rất cao. Hợp kim là sự kết hợp giữa các nguyên tố 3d của kim loại chuyển tiếp có từ độ bão hòa và nhiệt độ chuyển pha Curie (Tc) cao, với các nguyên tố 4f có tính dị hướng từ tinh thể mạnh cho 6 lực kháng từ (Hc) lớn. Ban đầu hợp chất SmCo5 có khả năng tạo ra nam châm vĩnh cửu có năng lượng cao (BH)max cỡ 18 MGOe. Sau đó, hàng loạt các hợp chất dựa trên cấu trúc này được phát triển thành một họ vật liệu từ cứng YCo5.

Vào năm 1972, ông đã phát hiện ra hợp chất Sm2Co17 có thể tích năng lượng BH)max cỡ 30 MGOe. Họ nam châm SmCo có nhiệt độ Curie rất cao và lực kháng từ lớn cỡ vài chục kOe nhờ cấu trúc dạng lá đặc biệt. Loại nam châm này có thể sử dụng trong các ứng dụng nhiệt độ cao như động cơ phản lực. do đó việc phát minh ra loại nam châm này đã mở ra một trang mới về một họ nam châm đất hiếm.

Tuy nhiên vào những năm 70 của thế kỉ 20, nguồn cung cấp nguyên liệu đất hiếm như Côban chở nên đắt đỏ và không ổn định. Do vậy đòi hỏi các nhà khoa học phải nghiên cứu để tìm ra vật liệu từ cứng mới ưu việt hơn đang được thúc đẩy mạnh mẽ trên toàn thế giới. Năm 1983, Sagawa và các cộng sự tại hãng kim loại Sumitomo (Nhật Bản) đã chế tạo thành công nam châm Neodymium (NdFeB) là họ nam châm dựa trên hợp chất R2Fe14B (với R là các nguyên tố đất hiếm như Nd, Pr.) và lực kháng từ lớn (hơn 10 kOe). Họ tìm ra nam châm Nd8Fe77B5 tích năng lượng cực đại (BH)max  36,2 MGOe.

Cùng năm, Croat và cộng sự ở công ty General Motors Corporation (Mỹ) bằng phương pháp phun băng nguội nhanh đã chế tạo ra VLTC với thành phần Nd2Fe14B tích năng lượng cực đại (BH)max  14 MGOe. Do Nd2Fe14B có cấu trúc tinh thể kiểu tứ giác, có tính dị hướng tinh thể, từ độ bão hòa lớn nên khả năng tích trữ năng lượng lớn, cho đến nay Nd2Fe14B vẫn là loại NCVC tốt nhất có khả năng cho giá trị (BH)max  64 MGOe. Đến nay thì một số phòng thí nghiệm trên thế giới đã tạo ra được VLTC Nd2Fe14B có (BH)max  57 MGOe nhưng loại nam châm này không thể sử dụng ở nhiệt độ cao do nó có nhiệt độ Curie chỉ 312 oC. Tuy nhiên đây là loại nam châm có giá thành cao do chứa nguyên tố đất hiếm nên loại nam châm này 7 không được sử dụng nhiều.

Đến năm 1988, Coehoorn và các cộng sự ở phòng thí nghiệm Philip Research (Hà Lan) đã phát minh ra loại vật liệu mới có (BH)max  12,4 MGOe. Vật liệu này chứa nhiều pha, bao gồm hai pha từ mềm Fe3B (73% thể tích), - Fe (12% thể tích) và pha từ cứng Nd2Fe14B (15% thể tích). Các pha từ cứng (chiếm tỉ phần thấp) cung cấp lực kháng từ lớn, pha từ mềm cung cấp cung cấp từ độ lớn. Tính chất của loại nam châm này là nhờ liên kết trao đổi đàn hồi giữa các hạt pha từ cứng và từ mềm ở kích thước nanomet.

Vật liệu từ cứng loại này được gọi là vật liệu nanocomposite. Đến nay, chưa tìm ra được pha từ cứng nào có phẩm chất từ tốt hơn hệ vật liệu Nd-Fe-B. Trong thế kỉ 20, việc phát minh ra nam châm đất hiếm có phẩm chất từ tốt là một bước đột phá rất lớn trong lịch sử khoa học và công nghệ. Tuy nhiên, đến nay giá thành của các loại NCVC chứa đất hiếm này tăng lên đáng kể do các quốc gia hạn chế xuất khẩu xuất đất hiếm và tăng giá bán các nguyên tố đất hiếm nên đã gây ra cuộc khủng khoảng về các nguyên tố đất hiếm.

Điều này ảnh hưởng rất lớn tới các ngành công nghiệp sản xuất sử dụng nguyên liệu đầu vào là các nguyên tố đất hiếm và ngành VLTC. Bên cạnh đó thì tình trạng khai thác đất hiếm gây ô nhiễm môi trường ngày càng nghiêm trọng. Do đó, các quốc gia quan tâm, thúc đẩy và đầu tư cho các nhà khoa học nghiên cứu, chế tạo để tìm ra các VLTC chứa ít hoặc không chứa đất hiếm hay tìm ra các VLTC mới thay thế nguyên tố đất hiếm nhằm giảm sự phụ thuộc vào nguồn cung cấp đất hiếm cũng như tìm ra các pha từ cứng mới để hạ giá thành sản phẩm hiện đang được phát triển mạnh mẽ trên toàn thế giới. Trong số các hệ vật liệu từ cứng, hệ Mn-Bi thể hiện phẩm chất từ và ưu điểm nổi bật như là giá thành rẻ, độ bền cao và đáp ứng được ứng dụng trong thực tế đời sống.

Bên cạnh đó thì hệ Mn-Bi có một ưu điểm nổi trội đó là lực kháng từ tăng theo nhiệt độ. Do vậy, hệ vật liệu từ cứng Mn-Bi đang được các 8 nhà khoa học và các phòng thí nghiệm đặc biệt quan tâm, nghiên cứu và phát triển. Ứng dụng và nhu cầu của vật liệu từ cứng. Hiện nay, VLTC giữ một vai trò quan trọng, được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực với các thiết bị gần gũi và không thể thiếu trong cuộc sống của chúng ta như laptop, các loại máy phát, biến thế, loa điện động hay các loại động cơ.

và trong các linh kiện công nghệ cao như cảm biến, đĩa ghi từ mật độ cao, vi khởi động điện từ. vài năm gần đây phạm vi ứng dụng của VLTC mở rộng sang một số lĩnh vực quan trọng khác như là y học, quân sự, ngành điện, điện tử, giao thông vận tải. với khả năng tích trữ năng lượng của từ trường tác dụng lên nó và trở thành nguồn phát từ trường. Ảnh minh họa ứng dụng của VLTC.

9 Tuy nhiên, trong tình trạng khủng hoảng về năng lượng và ô nhiễm môi trường như hiện nay thì vấn đề sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo đang được toàn thế giới đặc biệt quan tâm và phát triển mạnh mẽ. NCVC đóng vai trò không thể thiếu trong quá trình sử dụng năng lượng tái tạo. Người ta có thể phân loại các ứng dụng của NCVC trong các thiết bị trên cơ sở tác dụng của chúng như: nam châm vĩnh cửu dùng để biến đổi điện năng thành cơ năng (các loại động cơ) và biến đổi cơ năng thành điện năng (các loại máy phát)… Ngoài ra, NCVC ứng dụng trong các máy phát điện chạy bằng sức gió, sức nước dùng động cơ nam châm vĩnh cửu góp phần bổ sung năng lượng thiếu hụt và nguồn nguyên liệu đắt đỏ trên Trái đất, các mô tơ một chiều cho xe đạp, xe máy, ôtô chạy điện nhằm giảm ô nhiễm môi trường. Các viên từ chữa bệnh đau khớp, đau đầu, huyết áp cao.

đang được quan tâm nghiên cứu. Theo thời gian, chất lượng của NCVC không ngừng được nâng cao. Từ các ứng dụng khác nhau thì NCVC có đầy đủ hình dạng, kích thước và phẩm chất từ khác nhau để phục vụ cho nhu cầu của con người. Nhu cầu sử dụng NCVC ngày càng nhiều.

Tuy nhiên, hầu hết các ứng dụng VLTC sử dụng trong ngành công nghệ cao hiện nay phụ thuộc vào NCVC chứa đất hiếm. Ưu điểm của nam châm chứa đất hiếm là có năng lượng từ cực đại cao nhưng giá thành để tạo ra nó rất đắt do giá thành của nguyên tố đất hiếm cao.