TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA VẬT LÝ
NGÔ THỊ TRƢỜNG
ẢNH HƢỞNG KÍCH THƢỚC HẠT PHA TỪ CỨNG ĐẾN TÍNH CHẤT TỪ
CỦA VẬT LIỆU TỪ CỨNG NANOCOMPOSITE Mn-Bi/Fe-Co
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Chuyên ngành: Vật lí chất rắn
HÀ NỘI – 2018
0
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA VẬT LÝ
NGÔ THỊ TRƢỜNG
ẢNH HƢỞNG KÍCH THƢỚC HẠT PHA TỪ CỨNG ĐẾN TÍNH CHẤT TỪ
CỦA VẬT LIỆU TỪ CỨNG NANOCOMPOSITE Mn-Bi/Fe-Co
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Chuyên ngành: Vật lí chất rắn
Ngƣời hƣớng dẫn khoa học
ThS. NGUYỄN MẪU LÂM
HÀ NỘI – 2018
LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên tôi xin đƣợc bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới ThS. Nguyễn Mẫu Lâm
là thầy hƣớng dẫn khoa học đã chỉ bảo tôi tận tình trong suốt thời gian làm khóa
luận này.
Tiếp theo tôi xin cảm ơn Phòng thực hành Chuyên đề, Khoa Vật lý, Trƣờng Đại
học Sƣ phạm Hà Nội 2, Phòng thí nghiệm trọng điểm về Vật liệu và Linh kiện điện
tử, Phòng Vật lý vật liệu từ và Siêu dẫn, Viện Khoa học Vật liệu-Viện Hàn lâm
Khoa học và Công nghệ Việt Nam và sự tài trợ kinh phí đề tài cấp cơ sở Trƣờng Đại
học Sƣ phạm Hà Nội 2.
Tôi xin chân thành cảm ơn
Hà Nội, tháng 5 năm 2018
Sinh viên
Ngô Thị Trường
LỜI CAM ĐOAN
Khóa luận tốt nghiệp ‘Ảnh hƣởng kích thƣớc hạt pha từ cứng đến tính chất từ
của vật liệu nanocomposite Mn-Bi/Fe-Co’ là kết quả nghiên cứu của riêng tôi dƣới
sự hƣớng dẫn của Th.s. Nguyễn Mẫu Lâm. Kết quả này không trùng với kết quả của
các nhóm tác giả khác.
Tôi xin cam đoan những điều trên là đúng sự thật, nếu sai tôi chịu hoàn toàn
trách nhiệm
Hà Nội, tháng 5 năm 2018
Sinh viên
Ngô Thị Trường
MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 1 1. Lí do chọn đề tài ...................................................................................................... 1 2. Mục đích nghiên cứu ............................................................................................... 2 3. Nhiệm vụ nghiên cứu .............................................................................................. 2 4. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ........................................................................... 2 5. Phƣơng pháp nghiên cứu ......................................................................................... 3 6. Giả thuyết khoa học ................................................................................................ 3 7. Cấu trúc khóa luận. ................................................................................................. 3 NỘI DUNG ................................................................................................................. 4 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU TỪ CỨNG NANOCOMPOSITE MN- BI/FE-CO .................................................................................................................... 4 1.1. Lịch sử phát triển của vật liệu từ cứng. ................................................................ 4 1.2. Vật liệu từ cứng không chứa đất hiếm Mn-Bi. .................................................... 5 1.2.1 Cấu trúc tinh thể của Mn-Bi. .............................................................................. 5 1.2.2. Tính chất từ của Mn-Bi. .................................................................................... 6 1.2.3. Phƣơng pháp chế tạo. ....................................................................................... 7 1.3. Vật liệu từ mềm Fe-Co. ........................................................................................ 8 1.3.1. Cấu trúc tinh thể. .............................................................................................. 8 1.3.2. Tính chất từ ....................................................................................................... 8 1.3.3. Phƣơng pháp chế tạo. ........................................................................................ 9 1.4. Vật liệu từ cứng tổ hợp nanocomposite Mn-Bi/Fe-Co. ....................................... 9 1.4.1.Mô Hình Kneller-Hawig . .................................................................................. 9 1.4.2. Vật liệu từ cứng nanocomposite nền Mn-Bi. .................................................. 14 đẳng hƣớng và b) dị hƣớng. ...................................................................................... 15 CHƢƠNG 2 THỰC NGHIỆM ................................................................................. 20 2.1. Chế tạo hợp kim từ cứng Mn-Bi/Fe-Co ............................................................. 20 2.1.1. Chế tạo hợp kim khối Mn-Bi bằng phƣơng pháp hồ quang............................ 20 2.1.2. Chế tạo mẫu bột Mn-Bi bằng nghiền cơ năng lƣợng cao .............................. 22 2.1.3. Ép viên, xử lí nhiệt bột hợp kim Mn-Bi .......................................................... 26 2.2. Chế tạo hợp kim từ mềm Fe-Co theo phƣơng pháp đồng kết tủa. ..................... 28 2.3. Chế tạo tổ hợp nanocomposite Mn-Bi/Fe-Co. ................................................... 29 2.4. Các phƣơng pháp nghiên cứu cấu trúc ............................................................... 29 2.4.1. Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X. ........................................................................... 29 2.4.2. Phƣơng pháp phân tích hiển vi điện tử quét (SEM). ....................................... 31 2.5.Các phép đo nghiên cứu tính chất từ ................................................................... 32 2.5.1. Phép đo từ nhiệt trên hệ từ kế mẫu rung. ........................................................ 32 2.5.2. Phép đo từ trễ trên hệ từ trƣờng xung. ............................................................ 33
MỤC LỤC
CHƢƠNG 3 THẢO LUẬN KẾT QUẢ .................................................................... 35 3.1. Chế tạo pha từ cứng và pha từ mềm................................................................... 35 3.1.1. Chế tạo pha từ cứng Mn-Bi. ............................................................................ 35 3.1.2. Chế tạo pha từ mềm Fe-Co. ............................................................................ 37 3.2. Chế tạo Vật liệu từ cứng Nanocomposite Mn50Bi50/Fe65Co35 ............................ 39 3.2.1. Sử dụng pha từ cứng chƣa ủ nhiệt. .................................................................. 39 3.2.2. Sử dụng pha từ cứng đã ủ nhiệt ....................................................................... 40 KẾT LUẬN ............................................................................................................... 42 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 43
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
VLTC: Vật liệu từ cứng
NCVC: Nam châm vĩnh cửu
NCNC: Nam châm nanocomposite
NCNLC: Nghiền cơ năng lƣợng cao
DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1 Tính chất từ của pha từ cứng và pha từ mềm ............................................ 15
Bảng 2.1. Hợp phần mẫu Fe65Co35 ........................................................................ 28
Bảng 3.1. Từ độ bão hòa và lực kháng từ của mẫu trƣớc và sau ủ nhiệt ở 280oC trong 2 giờ. ..................................................................................................... 40
Bảng 3.2. Từ độ bão hòa và lực kháng từ của mẫu tổ hợp có pha từ cứng đã ủ
nhiệt. .......................................................................................................................... 41
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Sự phát triển của nam châm vĩnh cửu (theo (BH)max) ................................ 4
Hình 1.2. Cấu trúc tinh thể của hợp kim Mn-Bi (LTP) .............................................. 5
Hình 1.3. Đƣờng cong Bethe – Slater. ........................................................................ 6
Hình 1.4. Sự phụ thuộc của lực kháng từ vào nhiệt độ của Mn-Bi ............................ 6
Hình 1.5. Đƣờng cong từ hóa của Mn-Bi ở nhiệt độ khác nhau . ............................... 7
Hình 1.6. Các dạng cấu trúc tinh thể của Fe (bcc, fcc) và Co (hcp, fcc) .................... 8
Hình 1.7. Sự thay đổi của từ độ bão hòa của hợp kim Fe-Co theo tỉ lệ Co ............... 9
Hình 1.8. Mẫu vi cấu trúc một chiều và cấu trúc vi từ của vật liệu composite
tƣơng tác trao đổi đƣợc sử dụng làm cơ sở để tính kích thƣớc tới hạn của vùng
pha, (a) độ từ hóa đạt bão hòa, (b)-(c) Sự khử từ khi tăng từ trƣờng nghịch đảo H
trong trƣờng hợp bm >> bcm , (d) Sự khử từ trong trƣờng hợp giảm bm đến kích
thƣớc tới hạn bcm . ...................................................................................................... 11
Hình 1.9. Cấu trúc hai chiều lí tƣởng của nam châm đàn hồi .................................. 13
Hình 1.10. Các đƣờng cong khử từ điển hình: (a). Có tƣơng tác trao đổi,bm = bcm
(b). Có tƣơng tác trao đổi với vi cấu trúc dƣ thừa, bm >> bcm . (c). Chỉcó pha từ
cứng. (d). Hai pha từ cứng, từ mềm không tƣơng tác với nhau ........................................ 14
Hình 1.11. Đƣờng cong khử từ của vật liệu tổ hợp ................................................... 15
Hình 1.12. Tích chất từ của vật liệu tổ hợp: a) đẳng hƣớng và b) dị hƣớng ............. 16
Hình 1.13. Đƣờng khử từ của vật liệu tổ hợp: a) Mn-Bi/Fe và b)Mn-Bi/Co(NW). . 16
Hình 1.14. Tính chất từ của vật liệu tổ hợp Mn-Bi/Co (NW). .................................. 17
Hình 1.15. Ảnh SEM và đƣờng từ trễ của pha từ cứng và pha từ mềm. .................. 17
Hình 1.16. a) đƣờng cong từ trễ b) từ độ M và lực kháng từ Hc của các mẫu tổ
hợp với khối lƣợng pha từ mềm tƣơng ứng. ............................................................. 18
Hình 1.17. a) từ độ dƣ Mr và b) tích năng lƣợng cực đại phụ thuộc lực ép. ............. 19
Hình 1.18. a) Đƣờng từ trễ và b) các giá trị M, Mr, Hc theo nhiệt độ của mẫu
MnBi/FeCo với 5% khối lƣợng pha từ mềm FeCo. .................................................. 19
Hình 2.1. Sơ đồ khối của hệ nấu mẫu bằng hồ quang. .............................................. 20
Hình 2.2. Hệ nấu hợp kim hồ quang ......................................................................... 21
Hình 2.3. Máy nghiền cơ SPEX 8000D (a), cối và bi nghiền (b) ............................. 22
Hình 2.4. Cấu tạo chi tiết máy nghiền SPEX 8000D [2]. ......................................... 23
Hình 2.5. Sơ đồ khối của buồng khí r. ................................................................... 24
Hình 2.6. Ảnh thực của BOX khí Ar. ....................................................................... 25
Hình 2.7. Hệ ép mẫu. ................................................................................................ 26
Hình 2.8. Lò xử lý nhiệt Thermo lindberg blue M ................................................... 27
Hình 2.9. Buồng xử lý nhiệt ...................................................................................... 27
Hình 2.10. Máy khuấy từ .......................................................................................... 28
Hình 2.11. Máy rung siêu âm. ................................................................................... 28
Hình 2.12. Bộ thí nghiệm chế tạo mẫu. .................................................................... 29
Hình 2.13. Sơ đồ chế tạo vật liệu từ nanocomposite Mn-Bi/Fe-Co .......................... 29
Hình 2.14. Hiện tƣợng nhiễu xạ tia X. ...................................................................... 30
Hình 2.15. Nhiễu xạ kế tia X D8- Advance Bruker .................................................. 31
Hình 2.16. Thiết bị HITACHI S - 4800. ................................................................... 31
Hình 2.17. Sơ đồ nguyên lý của hệ từ kế mẫu rung (VSM). .................................... 32
Hình 2.18. Sơ đồ nguyên lý của hệ đo từ trƣờng xung. ............................................ 33
Hình 2.19. Hệ đo từ trƣờng xung (PFM) .................................................................. 34
Hình 3.1 Ảnh SEM mẫu Mn50Bi50 với thời gian nghiền 1 h và 2 h ......................... 35
Hình 3.2 Phổ nhiễu xạ tia X ..................................................................................... 36
Hình 3.3 Đƣờng cong từ trễ của mẫu bột Mn50Bi50 với thời gian nghiền khác
nhau chƣa ủ nhiệt. ..................................................................................................... 36
Hình 3.4 a) Phổ nhiễu xạ tia X , b) đƣờng cong từ trễ của mẫu bột Mn50Bi50 với thời gian nghiền khác nhau đƣợc ủ nhiệt ở 280oC trong thời gian 2 giờ. ................. 37
Hình 3.5 a) Ảnh SEM của mẫu Fe65Co35, b) Phổ nhiễu xạ tia X ............................... 38
Hình 3.6. Đƣờng cong từ trễ của pha từ mềm Fe65Co35 ........................................... 38
Hình 3.7. Đƣờng cong từ trễ của pha từ cứng khi chƣa ủ nhiệt ................................ 39
Hình 3.8. Đƣờng cong từ trễ của pha từ cứng đã ủ nhiệt .......................................... 40
Hình 3.9: Đƣờng cong từ trễ của mẫu tổ hợp cứng/mềm với pha từ cứng đã ủ
nhiệt ........................................................................................................................... 41
MỞ ĐẦU
1. Lí do chọn đề tài
Vật liệu từ cứng (VLTC) hay còn gọi là nam châm vĩnh cửu (NCVC) đƣợc
phát hiện từ những năm trƣớc công nguyên và phát triển mạnh mẽ theo thời gian.
NCVC phát triển mạnh mẽ kể từ khi các nhà khoa học công bố NCVC chứa đất
hiếm. Việc nghiên cứu thành công NCVC chứa đất hiếm nhƣ họ Sm- Co, Nd-Fe-B
là bƣớc đột phá trong lịch sử phát triển của VLTC bởi tích năng lƣợng cực đại của
nó rất cao. Ví dụ nhƣ SmCo 2:17 và SmCo 1: 5 có tích năng lƣợng cỡ 30MGOe và
NdFeB 2:14:1 có cỡ xấp xỉ 60 MGOe[,4,6,10,15]. Nhƣng hiện tại các nguyên tố đất
hiếm dùng để chế tạo NCVC (Sm, Nd..) ngày càng cạn kiệt và tập chung chủ yếu ở
Trung Quốc (95%). Năm 2010, Trung Quốc cắt giảm tới 40% sản lƣợng đất hiếm và
tuyên bố tiếp tục hạn chế xuất khẩu nguồn nguyên liệu đặc biệt này. Do đó mà giá
thành của chúng ngày càng đắt đỏ [2].
Ngày nay VLTC đƣợc sử dụng rất rộng rãi trong thực tế và cuộc sống hằng
ngày nhƣ biến thế điện, động cơ điện, máy phát điện, vật liệu ghi từ trong các ổ đĩa
cứng, cho đến các thiết bị trong lĩnh vực kỹ thuật hiện đại nhƣ công nghệ thông tin,
quân sự, y sinh. Trong những năm gần đây, ứng dụng VLTC vào cuộc sống ngày
càng lớn đã thúc đẩy các nhà khoa học tìm kiếm những vật liệu mới cùng với việc
cải tiến công nghệ chế tạo để tạo ra những VLTC có phẩm chất tốt hơn, đáp ứng
đƣợc yêu cầu của cuộc sống.
Để khắc phục tình trạng đó thì các nhà khoa học đã và đang thay đổi công
nghệ chế tạo để nâng cao phẩm chất từ. Bên cạnh đó các nhà khoa học không ngừng
tìm kiếm các pha từ cứng mới không chứa đất hiếm và có phẩm chất từ tốt nhằm
thay thế NCVC chứa đất hiếm.
Gần đây các nhà khoa học đang tập trung nghiên cứu các hệ vật liệu từ cứng
không chứa đất hiếm trên hợp phần nhƣ Mn-Ga-Al, Mn-Ga, Mn-Al, Mn-Bi[5,11].
Trong đó hệ Mn-Bi đƣợc quan tâm nghiên cứu nhiều nhất bởi nó là sự kết tinh của
hai pha: pha nhiệt độ thấp(LTP- Low temperature phase) và pha nhiệt độ cao(HTP-
High temperature phase). Hệ vật liệu Mn-Bi có lực kháng từ khá lớn và tăng theo
1
nhiệt độ, ở pha nhiệt độ cao có từ độ bão hòa thấp cỡ 80 emu/g, lực kháng từ cỡ 20
kOe và tích năng lƣợng cực đại (BH)max=17,7 MGOe[8]. Ngoài ra hệ vật liệu từ
Mn- Bi khá phổ biến và có giá thành rẻ. Hệ VLTC Mn-Bi hứa hẹn nhiều tiềm năng
ứng dụng trong cuộc sống
Bên cạnh đó đƣợc sự hỗ trợ của Phòng chuyên đề vật lý chất rắn, Viện nghiên
cứu Khoa học và Ứng dụng, Phòng thí nghiệm trọng điểm về Vật liệu và Linh kiện
điện tử, Phòng Vật lý Vật liệu từ và Siêu dẫn của viện khoa học. Đặc biệt có sự tài
trợ của quỹ phát triển khoa học công nghệ thông qua đề tài nafosted. Vì vậy, nhóm
nghiên cứu quyết định lựa chọn đề tài:
“Ảnh hưởng kích thước hạt pha từ cứng đến tính chất từ của vật liệu từ cứng
nanocomposite Mn-Bi/Fe-Cocứng tổ hợp nano Mn-Bi/Fe-Co”
2. Mục đích nghiên cứu
Khảo sát sự ảnh hƣởng kích thƣớc hạt pha từ cứng đến tính chất vật liệu từ
cứng nanocoposite Mn-Bi/Fe-Co.
3. Nhiệm vụ nghiên cứu
Nghiên cứu ảnh hƣởng kích thƣớc hạt pha từ cứng Mn-Bi đến tính chất từ của
vật liệu tổ hợp nanocomposite Mn-Bi/Fe-Co.
Khảo sát cấu trúc, tính chất từ của mẫu.
4. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
a. Đối tượng nghiên cứu
Vật liệu từ cứng Mn-Bi
Vật liệu từ mềm Fe-Co
Vật liệu từ cứng tổ hợp nanocomposite Mn-Bi/Fe-Co.
b. Phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu chế vật liệu từ cứng tổ hợp nano Mn-Bi/Fe-Co bằng phƣơng pháp
nghiền cơ năng lƣợng cao kết hợp xử lí nhiệt
Khảo sát cấu trúc của mẫu trên các hệ bằng giản đồ XRD, SEM
Khảo sát các tính chất từ của mẫu trên các hệ đo bằng từ trƣờng xung PFM, hệ
đo từ kế mẫu rung.
2
5. Phƣơng pháp nghiên cứu
Phƣơng pháp thực nghiệm.
6. Giả thuyết khoa học
Dự kiến:
Nghiên cứu sự ảnh hƣởng kích thƣớc hạt pha từ cứng đến tính chất từ của vật
liệu từ cứng nanocomposite
Kiến nghị:
Nếu đƣợc hỗ trợ về kinh phí và trang thiết bị chúng tôi sẽ khảo sát kích thƣớc
hạt pha từ cứng đến tính chất từ của vật liệu tốt hơn.
7. Cấu trúc khóa luận.
Chƣơng 1: Tổng quan về vật liệu từ cứng nanocomposite Mn- Bi/ Fe- Co.
Chƣơng 2: Kĩ thuật thực nghiệm
Chƣơng 3: Kết quả và thảo luận
3
NỘI DUNG
CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU TỪ CỨNG NANOCOMPOSITE MN-BI/FE-CO
1.1. Lịch sử phát triển của vật liệu từ cứng.
Vật liệu từ cứng hay nam châm vĩnh cửu đã đƣợc phát hiện và sử dụng từ rất
lâu ban đầu là oxit sắt. Năm 1740, lần đầu tiên chế tạo ra nam châm vĩnh cửu với
tính năng lƣợng cực đại còn thấp (BH)max = 1 MGOe. Muốn nam châm vĩnh cửu
loại này có lực hút đủ mạnh thì ta phải cần một lƣợng lớn vật liệu từ cứng hoặc thay
đổi công nghệ chế tạo, điều này sẽ gặp khó khăn khi vật liệu từ cứng loại này bị
khai thác cạn kiệt. Vì thế mà các nhà khoa học cần phải tìm ra loại vật liệu từ cứng
mới ƣu việt hơn. Thế kỉ 20 đánh dấu sự phát triển vƣợt bậc trong lĩnh vực này, cứ
sau 20 năm, giá trị (BH)max của nam châm vĩnh cửu tăng gấp 3 lần (hình 1.1)
Hình 1.1. Sự phát triển của nam châm vĩnh cửu (theo (BH)max) [1].
Năm 1931 họ nam châm lNiCo đƣợc Mishima (Nhật Bản) chế tạo và đƣợc
sử dụng rộng rãi. Lúc đầu, (BH)max của nam châm lNiCo cũng chỉ đạt cỡ 1 MGOe.
Bằng cách thay đổi công nghệ chế tạo (BH)max của nam châm lNiCo đạt tới 10 MGOe, nhờ có nhiệt độ Curie cao (850oC) vào năm 1956. Vì vậy đến nay nam
châm này vẫn đƣợc chế tạo và sử dụng. Đến thập niên 60 của thế kỉ 20 đánh dấu
bƣớc đột phá trong lịch sử phát triển của vật liệu từ cứng. Năm 1966, nhóm nghiên
4
cứu của Karl Strnat (Đại học Tổng hợp Dyton, Ohio, Mỹ) phát hiện ra hợp kim
YCo5 cho lực kháng từ lớn, vật liệu SmCo5 có khả năng chế tạo nam châm vĩnh cửu
có năng lƣợng cao cỡ 30 MGOe, mở ra một trang mới cho một họ vật liệu từ cứng-
họ nam châm đất hiếm.
Năm 1970, Co khá đắt đỏ nên các nghiên cứu về việc thay thế vật liệu từ cứng
Co đƣợc thúc đẩy mạnh mẽ trên toàn thế giới. Năm 1983, Sagawa (Nhật Bản) và
các cộng sự đã chế tạo thành công nam châm vĩnh cửu có thành phần Nd8Fe77B5 có
(BH)max 36,2 MGOe. Cùng năm đó, Croat và cộng sự ở công ty General Motors
(Mỹ) cũng đã chế tạo đƣợc nam châm vĩnh cửu có thành phần Nd2Fe14B có (BH)max
~14 MGOe bằng phƣơng pháp phun băng nguội nhanh. 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 là sự kết hợp giữa hai pha từ từ mềm
Fe3B (73% thể tích),-Fe (12% thể tích) và pha từ cứng Nd2Fe14B (15% thể tích). Vật
liệu từ cứng này đƣợc gọi là vật liệu từ cứng nanocomposite. Tuy (BH)max chƣa cao
nhƣng vật liệu này chứa ít đất hiếm, công nghệ chế tạo đơn giản và giá thành rẻ.
1.2. Vật liệu từ cứng không chứa đất hiếm Mn-Bi.
1.2.1 Cấu trúc tinh thể của Mn-Bi.
Hợp kim Mn-Bi có cấu trúc tinh thể kiểu Ni s (kiểu lục giác), với tham
số đặc trƣng của ô cơ sở là a = b = 4,2827 Å và c = 6,1103 Å, thuộc nhóm không
gian P63/mmc.
B i
M n
Hình 1.2. Cấu trúc tinh thể của hợp kim Mn-Bi (LTP) [16]
Mn-Bi kết tinh hai pha, pha nhiệt độ thấp và pha nhiệt độ cao. Ở pha nhiệt
độ thấp, các nguyên tử Mn chiếm ở vị trí các đỉnh và trung điểm các cạnh, còn
5
nguyên tử Bi nằm xen kẽ [16]. Các hằng số mạng và thể tích mạng tăng theo độ
tăng của nhiệt độ.
Ở pha nhiệt độ thấp có tính chất sắt từ αMnBi là khá mạnh. Khi tăng nhiệt độ
từ cấu trúc NiAs chuyển sang Ni2In-type hexagonal γBiMn hợp kim chuyển từ sắt từ sang thuận từ.
1.2.2. Tính chất từ của Mn-Bi.
Ở trạng thái kim loại,khoảng cách giữa các nguyên tử Mn nhỏ (2,754 Å) nên
tích phân trao đổi E < 0, Mn là chất phản sắt từ, khi Mn kết hợp với Bi thì các
nguyên tử Bi nằm xen kẽ với Mn làm cho khoảng cách giữa các nguyên tử Mn tăng
lên đủ để E > 0. Khi đó hợp kim Mn-Bi trở thành chất sắt từ. điều này đƣợc giải
thích dựa vào đƣờng cong Bethe – Slater.
Hình 1.3. Đường cong Bethe – Slater.
Mn-Bi có lực kháng từ lớn, với kích thƣớc đơn đomen, lực kháng từ Hc = 2
K/Ms dự kiến khoảng 50 kOe [14, 15].
Hình 1.4. Sự phụ thuộc của lực kháng từ vào nhiệt độ của Mn-Bi [1].
Trong khoảng nhiệt độ 150 K – 400 K, lực kháng từ Hc tăng theo sự tăng của
nhiệt độ.
Theo lí thuyết sóng spin của Block thì sự phụ thuộc nhiệt độ từ hóa của từ độ
6
bão hòa ở nhiệt độ thấp đƣợc xác định theo công thức:
(1.1)
Nhƣng thực tế thì từ độ bão hòa của Mn-Bi rất phức tạp, nó liên quan đến
chuyển pha từ và cấu trúc kim loại ở nhiệt độ cao và nhiệt độ thấp.
Từ kết quả khảo sát của J.B. Yang và các cộng sự (hình 1.7) nhóm của J. Cui
cho rằng: ở pha nhiệt độ thấp, Mn-Bi có độ từ hóa không cao lắm, tại nhiệt độ
phòng, từ độ bão hòa chỉ khoảng 75 emu/g và đạt cực đại trong khoảng 80 - 82
emu/g ở nhiệt độ 10 K - 80 K.
2/4 vào khoảng
Hình 1.5. Đường cong từ hóa của Mn-Bi ở nhiệt độ khác nhau [1].
Theo tính toán lí thuyết, tích năng lƣợng cực đại (BH)max = Ms
17,6 MGOe, nhƣng thực tế thì Mn-Bi đơn pha có thể vƣợt quá 10 MGOe [16]. Do
vậy, việc nghiên cứu là tăng giá trị của (BH)max liên tục đƣợc nâng cao.Theo báo cáo
của G.s Yang, năm 2002, tại nhiệt độ 400K lực kháng từ Hc = 20 kOe và (BH)max =
4,6 MGOe, tại nhiệt độ 300 K có (BH)max = 7,7 MGOe [9,16]. Năm 2013, nhóm của
Rao công bố kết quả (BH)max = 9 MGOe.
1.2.3. Phương pháp chế tạo.
Phƣơng pháp nghiền cơ năng lƣợng cao và phƣơng pháp nấu hồ quang
7
1.3. Vật liệu từ mềm Fe-Co.
1.3.1. Cấu trúc tinh thể.
bcc fcc hcp
Hình 1.6. Các dạng cấu trúc tinh thể của Fe (bcc, fcc) và Co (hcp, fcc)
Fe kim loại thƣờng tồn tại dƣới 2 dạng cấu trúc lập phƣơng tâm khối (bcc) và
lập phƣơng tâm mặt (fcc), trong khi đó Co tồn tại dƣới hai dạng cấu trúc lục giác
xếp chặt (hcp) và fcc.
Cấu trúc tinh thể có một tác động đáng kể đến tính chất từ. Khi hợp kim giàu
Fe, chúng đƣợc hình thành ở pha bcc do quá trình kết tinh của hợp kim. Thay thế Co
cho Fe trong các hợp kim có thể tạo ra một pha α-FeCo với cấu trúc B2 (pha trật tự)
và với hợp kim giàu Co đƣợc tìm thấy có cả cấu trúc fcc và hcp trong quá trình kết
tinh của hợp kim. Năng lƣợng cao của quá trình nghiền tạo ra trạng thái tinh thể giả
bền (không cân bằng) với sự tồn tại đồng thời của các pha bcc, hcp, fcc. Hằng số
mạng cho hai dạng cấu trúc fcc và bcc của sắt lần lƣợt là 3,515 Å và 2,87 Å. Với Co cấu trúc hcp (α-Co) thì a = 2,51 Å và c = 4,07 Å trong khi đó cấu trúc fcc (β-Co) có
hằng số mạng là 3,55 Å.
1.3.2. Tính chất từ
Hợp kim Fe-Co đƣợc xem là vật liệu có giá trị từ độ bão hòa lớn nhất trong số
các vật liệu sắt từ đã biết. Mặc dù Co có mômen từ nguyên tử thấp hơn của Fe
nhƣng khi đƣợc thay đổi hàm lƣợng Co trong hợp chất sẽ làm tăng từ độ của hợp
kim. Hình 1.13 chỉ ra sự thay đổi của momen từ bão hòa ở nhiệt độ phòng của Fe
theo hàm lƣợng Co đƣợc đƣa vào, giá trị lớn nhất đạt đƣợc là 240 emu/g khi Co
chiếm là 35% khối lƣợng trong hợp kim. Độ từ thẩm cao nhất đạt đƣợc khi tỉ phần
của hợp kim Fe/Co = 65/35 [8]
8
Hình 1.7. Sự thay đổi của từ độ bão hòa của hợp kim Fe-Co theo tỉ lệ Co [8].
1.3.3. Phương pháp chế tạo.
Các phƣơng pháp để chế tạo vật liệu từ mềm Fe-Co nhƣ nghiền cơ năng
lƣợng cao, phƣơng pháp đồng kết tủa, phƣơng pháp hóa khử, phƣơng pháp hóa hơi
ƣớt, phƣơng pháp thủy nhiệt. Nhƣng trong khuôn khổ của khóa luận này chúng tôi
sử dụng phƣơng pháp đồng kết tủa để chế tạo Fe-Co với các ƣu điểm nhƣ không gây
độc hại đến môi trƣờng, thiết bị chế tạo đơn giản, hóa chất dễ tìm kiếm và dễ chế tạo
với kích thƣớc nano.
1.4. Vật liệu từ cứng tổ hợp nanocomposite Mn-Bi/Fe-Co.
1.4.1.Mô Hình Kneller-Hawig .
Năm 1991, Kneller và Hawig đã đƣa ra mô hình lý thuyết một chiều về nam
châm đàn hồi hai pha có cấu trúc nanomet dựa trên mô hình tƣơng tác trao đổi giữa
các hạt sắt từ có kích thƣớc nanomet. Đây là mô hình lý thuyết đầu tiên nghiên cứu
giải thích đặc tính và các tƣơng tác từ của nam châm đàn hồi. Mô hình này giúp ta
xác định đƣợc kích thƣớc hạt cần thiết để xuất hiện đƣợc tƣơng tác trao đổi đàn hồi
từ trong vật liệu từ nanocomposite.
Chúng ta đã biết, với một vật liệu từ cho trƣớc, giới hạn lý thuyết đối với tích
năng lƣợng cực đại đƣợc xác định bởi:
2/40 (1.2)
(BH)max Js
nghĩa là (BH)max đơn giản chỉ phụ thuộc vào độ phân cực từ bão hòa Js = 0Ms. Nhƣng
9
trên thực tế, để đạt đƣợc giới hạn (1.2) còn cần phải có cảm ứng từ dƣ lớn, Br Js, và
trƣờng tới hạn cho sự đảo chiều từ độ bất thuận nghịch (trƣờng tạo mầm đảo từ) cao
HN Js/20 = Ms/2. Do đó, về nguyên tắc, giới hạn (1.2) chỉ có thể đạt đƣợc đối
Js
với những vật liệu có hệ số dị hƣớng từ tinh thể K lớn, cụ thể K >> 2/40. Thông thƣờng, tính chất từ của vật liệu đƣợc đánh giá qua tỷ số 2/40). Nếu >> 1 thì tính chất từ của vật liệu bị chi phối bởi dị hƣớng = K/ (Js
từ tinh thể K, các vật liệu này gọi là vật liệu từ cứng (vật liệu k). Ngƣợc lại,
nếu << 1 thì năng lƣợng từ tĩnh đóng vai trò quyết định, và ta gọi là vật liệu từ
mềm (vật liệu m). Giới hạn (1.2) chỉ có thể đạt đƣợc đối với vật liệu k. Tuy nhiên,
hầu hết các vật liệu k có Js thấp hơn đáng kể so với nhiều vật liệu m thông thƣờng,
trong khi lực kháng từ HcM của các vật liệu k có thể lớn hơn nhiều giá trị Ms/2 cần
thiết để đạt tới giới hạn (1.1). Từ những phân tích trên cho ta thấy rằng, nam châm
chỉ có thể có tích năng lƣợng (BH)max cao nếu vật liệu chứa đựng cả tính từ dƣ cao
của vật liệu từ mềm và tính kháng từ cao của vật liệu từ cứng. Vậy vấn đề đặt ra là
kích thƣớc các hạt, tỷ phần tối ƣu giữa hai pha đó phải thoả mãn những yêu cầu gì
và phải lựa chọn công nghệ nào để đạt đƣợc những yêu cầu đó. Kneller và Hawig đã
giải quyết vấn đề này xuất phát từ mối quan hệ giữa vi cấu trúc và tính chất từ.
Kneller và Hawig đã sử dụng mô hình một chiều để trình bày các nguyên lý
cơ bản của tƣơng tác trao đổi giữa pha từ cứng (pha k) và pha từ mềm (pha m).
Theo mô hình này, vật liệu composite đƣợc coi là bao gồm một chuỗi các pha k và
pha m xen kẽ nhau, nằm dọc theo trục x với độ rộng mỗi vùng tƣơng ứng là 2bk và
2bm nhƣ trên hình 1.4. Với giả thiết dị hƣớng từ tinh thể là dị hƣớng đơn trục trong
cả hai pha, trục dễ song song với trục z và vuông góc với trục x. Tƣơng tác trao đổi
sắt từ đƣợc thực hiện bởi các mômen từ của cả hai pha thông qua biên pha. Một
cách gần đúng có thể xem năng lƣợng trong vách miền chỉ bao gồm năng lƣợng dị
hƣớng và năng lƣợng trao đổi, do đó năng lƣợng của mỗi đơn vị diện tích trên vách 180o xác định bởi:
= K + A(/)2 (1.3)
trong đó là độ dày vách, K là hằng số dị hƣớng từ tinh thể và là hằng số trao
10
đổi.
Hình 1.8. Mẫu vi cấu trúc một chiều và cấu trúc vi từ của vật liệu composite tương
tác trao đổi được sử dụng làm cơ sở để tính kích thước tới hạn của vùng pha, (a) độ
từ hóa đạt bão hòa, (b)-(c) Sự khử từ khi tăng từ trường nghịch đảo H trong trường
hợp bm >> bcm , (d) Sự khử từ trong trường hợp giảm bm đến kích thước tới hạn bcm .
Ở điều kiện cân bằng, () có giá trị cực tiểu, tức là d/d = 0. Từ điều kiện
này, độ dày vách miền và năng lƣợng trên mỗi đơn vị diện tích vách miền ở trạng
thái cân bằng 0 và o đƣợc xác định bởi:
0 = (A/K)1/2 (1.4) o = 2(AK)1/2 (1.5)
Để xác định kích thƣớc tới hạn pha từ mềm (đƣợc xác định nhƣ là độ dài
tƣơng tác trao đổi toàn phần của pha m, tức là m = bcm) ta giả thiết rằng kích thƣớc tới hạn của pha từ cứng có giá trị cỡ bk = 0k = (Ak/Kk)1/2, chú ý rằng do Kk khá lớn
nên bk khá nhỏ.
Nếu hệ bắt đầu đảo từ từ trạng thái bão hòa (hình 1.8a) thì ban đầu từ độ
trong pha mềm không đổi, khi trƣờng ngoài H đảo chiều và tăng dần thì sự đảo từ
bắt đầu xảy ra từ giữa pha mềm.
Trƣớc hết ta xét trƣờng hợp bm không đổi và lớn xấp xỉ độ dày vách miền cân bằng, bm 0m = (Am/Km)1/2 >> 0k bk (vì Km << Kk). Khi quá trình đảo từ xảy ra, trong pha mềm sẽ hình thành hai vách miền kiểu xoay (vách 180o) (hình 1.8b). Khi
11
H tiếp tục tăng (hình 1.8c), các vách này bị đẩy về phía biên pha k, mật độ năng
lƣợng trong các vách này tăng vƣợt giá trị cân bằng của nó Em = m/m > E0m =
0m/. Trong khi đó, do Kk >> Km, từ độ bão hòa Msk trong pha k có thể xem nhƣ
không đổi. Quá trình này sẽ tiếp tục cho tới khi Em đạt đến mật độ năng lƣợng cân
bằng E0k của vách pha k.
Em = m/m E0k = 0k/0k = 2Kk (1.6)
Lúc này, vách miền sẽ bắt đầu xâm chiếm vào pha k dẫn đến sự đảo từ không
thuận nghịch trong cả hai vùng pha m và pha k. Trƣờng tới hạn tƣơng ứng HNo thấp
hơn trƣờng dị hƣớng của pha k (HNo < HAk = 2Kk / Msk).
Trong trƣờng hợp này trƣờng kháng từ HcM, đƣợc định nghĩa bởi M(HcM) =
0, nhỏ hơn nhiều so với trƣờng tới hạn HNo do Msm > Msk và cũng do ta đã giả sử
rằng bm > bk. Do vậy đƣờng cong khử từ giữa Mr (H = 0) và
M (HcM) = 0 là hoàn toàn thuận nghịch.
Bây giờ nếu bm giảm đến giá trị nhỏ hơn độ dày vách cân bằng bm < om thì
HNo giữ không thay đổi nhƣng HcM tăng bởi vì nếu H < HNo thì độ dày của các vách 180o trong pha m bị giữ tại giá trị m = bm < om. Từ đây độ rộng tới hạn bcm của pha
m cho lực kháng từ HcM cực đại đƣợc xác định bởi (1.5) với m = bcm. Từ (1.6) chúng ta thấy rằng đối với m bé (m << om) thì m(m) mAm(/m)2, từ đây mật độ năng lƣợng Em = m/m Am(/m)2 . Từ kết quả trên và cho m = bcm ta tính đƣợc
kích thƣớc tới hạn của pha từ mềm:
bcm = (Am/Kk)1/2 (1.7) Với các giá trị điển hình m = 10-11 J/m, Kk = 2.106 J/m3, ta có bcm 5 nm. Nhƣ vậy, đối với trƣờng hợp tƣơng tác trao đổi tối ƣu kích thƣớc của pha m là 2bcm = 10 nm.
Thực tế cho thấy khó có thể tính đƣợc giá trị độ dày tới hạn lý thuyết cho pha k. Tuy
vậy, Kneller và Hawig cho rằng cũng rất hợp lý nếu giả thiết rằng độ dày tới hạn của pha k thoả mãn bck = 0k = (Ak/Kk)1/2 (nhƣ đã giả thiết từ đầu). Thông thƣờng k < Am vì nói chung nhiệt độ Curie của pha k là thấp hơn pha m, điều này dẫn đến bck
nhận giá trị nhƣ bcm, tức là bck bcm.
12
Dựa vào (1.6) chúng ta có thể thấy rằng hằng số trao đổi m của pha m càng
lớn thì độ dài tƣơng tác trao đổi bcm của pha mềm càng lớn. Ngƣợc lại, hằng số dị
hƣớng từ tinh thể Kk của pha k càng lớn thì độ dài tƣơng tác trao đổi bcm của pha m
càng nhỏ. Các tham số từ khác đƣợc tính theo (1.7) nhƣ sau:
Từ độ bão hòa trung bình của vật liệu xác định bởi:
MS = vkMsk + (1-vk)Msm (1.8 )
trong đó Msk, Msm lần lƣợt là từ độ bão hoà của pha cứng và pha mềm; vk, (1-vk)
là tỷ phần thể tích tƣơng ứng. Dễ thấy rằng trong trƣờng hợp tỷ phần hai pha bằng
nhau thì Ms = (Msk+ Msm)/2.
Độ từ dƣ rút gọn liên hệ với tỷ phần thể tích mỗi pha theo công thức:
(1.9)
Trƣờng tạo mầm đảo từ: (1.10)
Trƣờng hợp bm > bcm , HcM phụ thuộc bm theo công thức:
(1.11)
Hình 1.9. Cấu trúc hai chiều lí tưởng của nam châm đàn hồi [1]. Các phép tính trên đƣợc thực hiện với giả thiết rằng vật liệu là tập hợp các hạt
đồng nhất. Nhận thấy, lực kháng từ tăng khi kích thƣớc hạt giảm. Tuy nhiên, kích
thƣớc hạt chỉ có thể giảm đến một giới hạn nhất định vì khi hạt quá bé thì mẫu sẽ ở
trạng thái siêu thuận từ, khi đó từ tính sẽ bị triệt tiêu bởi nhiễu loạn nhiệt. Do đó,
13
kích thƣớc hạt cần phải đƣợc khống chế.
Hình 1.10. Các đường cong khử từ điển hình: (a). Có tương tác trao đổi,bm = bcm
(b). Có tương tác trao đổi với vi cấu trúc dư thừa, bm >> bcm . (c). Chỉcó pha từ
cứng. (d). Hai pha từ cứng, từ mềm không tương tác với nhau [2].
Đặc tính "đàn hồi" của NCNC đƣợc thể hiện qua tính chất thuận nghịch của
đƣờng cong khử từ trong khoảng biến đổi của từ trƣờng ngoài nhỏ hơn HNo (hình
1.10a). Sự liên kết giữa các pha từ cứng và từ mềm trong nam châm nanocomposite
và nam châm thƣờng đƣợc minh họa trên hình 1.10.
1.4.2. Vật liệu từ cứng nanocomposite nền Mn-Bi.
Vật liệu từ cứng Mn-Bi có ƣu điểm nổi trội hơn so với một số hệ vật liệu từ
cứng khác nhƣ: Lực kháng từ tăng theo nhiệt độ, tích năng lƣợng cực đại (BH)max
đạt đến 17.5 kOe [1] và giá thình không quá cao. Trên cơ sở đó, các nhà khoa học
đã tìm cách tạo ra hệ vật liệu tổ hợp có phẩm chất từ tốt có thể ứng dụng đƣợc trong
thực tế.
* Hệ Mn-Bi/α-Fe
Bằng phƣơng pháp mô phỏng, nhóm nghiên cứu đã đƣa ra đƣợc phẩm chất từ
của hệ vật liệu này. Nhóm tác giả đã sử dụng kích thƣớc hạt pha từ cứng là 20 nm
và pha từ mền là 1-6 nm. Tính chất từ của pha cứng và pha mềm đƣợc chỉ ra trên
14
bảng 1. 1
Bảng 1.1 Tính chất từ của pha từ cứng và pha từ mềm
Phase K1 (MJ/m3) Js(T)
α-Fe 0.046 2.15
MnBi 0.89 0.78
Đƣờng cong khử từ trong trƣờng hợp đẳng hƣớng và dị hƣớng đƣợc chỉ ra
trên hình 1.11.
Hình 1.11. Đường cong khử từ của vật liệu tổ hợp
a)đẳng hướng và b) dị hướng.
Đƣờng khử từ khá vuông trong trong trƣờng hợp dị hƣớng
15
Hình 1.12. Tích chất từ của vật liệu tổ hợp: a) đẳng hướng và b) dị hướng
Từ hình 1.12 cho thấy tính chất từ trong trƣờng hợp đẳng hƣớng khá thấp. khi
kích thƣớc hạt tăng lên hầu hết các tính chất đều giảm, chỉ có Jr theo xu hƣớng tăng
giảm. Jr đạt cực đại ở khích thƣớc hạt 3 nm. Trong trƣờng hợp dị hƣớng cho tính chất từ khá tốt. Từ độ bão hòa 51 emu/g, (BH)max đạt 332 kj/m3 (41.7 MGOe) ở kích
thƣớc hạt 3 nm.
Năm 2014, P. Liu cà cộng sự đã chế tạo vật liệu từ tổ hợp Mn-Bi/α-Fe và Mn-
Bi/Co bằng phƣơng pháp thực nghiệm. Nhóm nghiên cứu lấy pha từ cứng có tích
năng lƣợng cực đại (BH)max = 6.3 MGOe ở nhiệt độ phòng đƣợc trộn với 5, 10% Fe
dạng mảnh và 5, 10, 15, 20% Co dạng dây.
Hình 1.13. Đường khử từ của vật liệu tổ hợp: a) Mn-Bi/Fe và b)Mn-Bi/Co(NW).
Đƣờng cong khử từ cho thấy vật liệu tổ hợp Mn-Bi/Fe có Mr giảm mạnh
điều này cho thấy tính tƣơng tác giữa hai pha cứng mềm kém. Với hệ Mn-Bi/Co khi
tăng tỉ phần Co lên 10%, Mr của mẫu tƣơng đƣơng mẫu chƣa pha tuy nhiên lực
16
kháng từ tang lên gần 1 kOe. Phẩm chất từ của hệ Mn-Bi/Co đƣợc chỉ ra trên hình
1.14. Từ những kết quả trên hình cho thấy từ độ tăng lên theo tỉ phần của pha từ
mềm tuy nhiên tăng không đáng kể. Từ độ Mr dƣ tăng lên ở tỉ phần 10% pha từ
mềm nhƣng nếu so sánh với giá trị Mr của mẫu chƣa pha thì từ độ dƣ chƣa cải thiện
đƣợc bao nhiêu. Tăng nồng độ Co thì lực kháng từ tăng nhẹ nhƣng tích năng lƣợng
cực đại giảm mạnh.
Hình 1.14. Tính chất từ của vật liệu tổ hợp Mn-Bi/Co (NW).
Với những kết quả đã trình bày trong báo cáo này, tính chất từ chƣa đƣợc cải
thiện rõ rệt.
Shenqiang Ren và cộng sự công bố kết quả vật liệu từ cứng tổ hợp nền Mn-
Bi/Fe-Co (NW) bằng thực nghiệm .
Hình 1.15. Ảnh SEM và đường từ trễ của pha từ cứng và pha từ mềm.
17
Các pha từ cứng và pha từ mềm, đƣợc chế tạo riêng rẽ sau đó trộn pha từ
cứng và pha từ mềm với nhau theo tỉ lệ khối lƣợng của các pha đã lựa chọn.
Hình1.15 (a) cho thấy pha từ cứng có kích thƣớc hạt cỡ 250 nm, lực kháng từ Hc =
4.7 kOe và từ độ bão hòa cỡ 25 emu/g. Pha từ mềm có hình dáng dạng dây, dài 5
µm, đƣờng kính cỡ 36 nm, từ độ bão hòa Ms = 186 emu/g, từ dƣ Mr = 90 emu/g và
lực kháng từ Hc = 530 Oe.
Nhóm tác giả đã chọn khối lƣợng pha từ mềm bằng 5, 10, 15 và 30% khối
lƣợng pha từ cứng. Kết quả tính chất từ sau khi trôn đƣợc thể hiện trên hình 1.16 (a)
và (b).
Hình 1.16. a) đường cong từ trễ b) từ độ M và lực kháng từ Hc của các mẫu tổ hợp
với khối lượng pha từ mềm tương ứng.
Hình 1.16 (a) cho thấy sự tƣơng tác giữa hai pha từ trong vật liệu tổ hợp khá
tốt vì không thấy xuất hiện tính đa pha từ trong mẫu. Từ độ M và từ độ dƣ Mr tăng
theo tỉ phần của pha từ mềm hình1.16 (b). Chúng tôi nhận thấy, từ độ dƣ tăng không
tuyến tính với từ độ bão hòa. Một điều đáng nói ở đây là lực kháng từ Hc, khi tăng tỉ
phần pha từ mềm thì Hc giảm nhanh điều này quan sát thấy trên hình1.16 (b) đƣờng
biểu diễn Hc khá dốc. Từ đây chúng tôi có thể dự đoán đƣợc phẩm chất từ vật liêu từ
cứng nanocomposite chƣa thục sự nhƣ mong muốn.
Nhóm nghiên cứu đã khảo sát ảnh hƣởng của lực ép đến tính chất từ của các
mẫu nanocomposite đƣợc thể hiện trên hình 1.17.
18
Hình 1.17. a) từ độ dư Mr và b) tích năng lượng cực đại phụ thuộc lực ép.
Tính chất từ tăng lên theo lực ép vì khối lƣợng riêng trên một đơn vị thể tích
tăng lên.
Hình 1.18. a) Đường từ trễ và b) các giá trị M, Mr, Hc theo nhiệt độ của mẫu
MnBi/FeCo với 5% khối lượng pha từ mềm FeCo.
Hình 1.18 (b) cho thấy lực kháng từ tăng lên theo nhiệt độ và đạt cực đại ở
nhiệt độ cỡ 70oC. Điều này là do pha từ cứng MnBi gây ra.
19
CHƢƠNG 2
THỰC NGHIỆM
2.1. Chế tạo hợp kim từ cứng Mn-Bi/Fe-Co
2.1.1. Chế tạo hợp kim khối Mn-Bi bằng phương pháp hồ quang
Vật liệu dùng chế tạo mẫu là hai nguyên tố Mn và Bi có độ tinh khiết cao
(99,9%) đƣợc cân đúng theo hợp phần mẫu Mn50Bi50. Khối lƣợng thành phần các
nguyên tố trong hợp kim đƣợc tính toán để tạo ra đƣợc mẫu có khối lƣợng 15 g. Do
Mn bay hơi mạnh ở nhiệt độ cao, để đảm bảo hợp phần của mẫu nên chúng tôi phải
bù thêm 15% lƣợng Mn. Hỗn hợp các kim loại của mẫu đƣợc nấu chảy thành hợp
kim trong lò hồ quang. Trong quá trình nung nấu, các nguyên tố nóng chảy hoàn
toàn và hòa trộn với nhau tạo thành hợp kim.
Sơ đồ khối của hệ nấu mẫu bằng hồ quang đƣợc biểu diễn trên hình 2.1. Hình
2.2 là ảnh thực của hệ nấu hồ quang.
Hình 2.1. Sơ đồ khối của hệ nấu mẫu bằng hồ quang.
20
Hình 2.2. Hệ nấu hợp kim hồ quang
(1) Bơm chân không (5) Nguồn điện,
(2) Buồng nấu (6) Cần điện cực
(3) Tủ điều khiển (7) Nồi nấu
(4) Bình khí trơ (Ar) (8) Cần lật mẫu
Để tránh sự oxi hóa, chúng tôi thực hiện quá trình chế tạo mẫu trong môi
trƣờng khí trơ rgon với các bƣớc thực hiện nhƣ sau:
Làm sạch nồi nấu, buồng tạo mẫu.
Đƣa mẫu cùng viên Titan vào buồng tạo mẫu, đậy nắp và hút chân không bằng bơm sơ cấp để chân không đạt cỡ10-2 Torr. Xả và hút khí trơ ở buồng nấu
2-3 lần để đuổi tạp khí, tạo môi trƣờng sạch khí oxy. Sau đó nạp khí trơ tới khi áp
suất hơi cao hơn áp suất khí quyển để tránh sự thẩm thấu ngƣợc lại của không khí.
Mở nƣớc làm lạnh cho nồi nấu, điện cực, máy cấp nguồn và vỏ buồng nấu mẫu.
- Bật nguồn phát, nấu chảy viên Titan để kiểm tra môi trƣờng khí trong
buồng tạo mẫu. Việc nấu viên Titan có tác dụng thu và khử các chất khí có thể gây
ra quá trình ôxy hoá cho mẫu. Nếu sau khi nấu viên Ti vẫn sáng thì môi trƣờng nấu
mẫu là tốt, đủ điều kiện để tiến hành nấu mẫu. Ngƣợc lại, nếu sau khi nấu viên Titan
bị xám tức là môi trƣờng nấu chƣa đạt yêu cầu, phải tiến hành qui trình làm sạch
21
môi trƣờng từ đầu.
- Nấu mẫu: bật nguồn phát để lấy hồ quang điện, khi lấy hồ quang phải để dòng
nhỏ, không để điện cực âm chạm vào khuôn có thể gây bục nồi lò, sau đó ta phải
tăng dòng điện từ từ, cho ngọn lửa dọi đều lên mẫu để mẫu nóng chảy hoàn toàn và
chảy đều. Khi nấu xong tất cả các mẫu có trong nồi nấu, tắt nguồn phát, đợi mẫu nguội,
dung cần lật mẫu lật ngƣợc mẫu lên. Đợi vỏ buồng nấu nguội bớt rồi mới tiếp tục bật
nguồn nấu mẫu để tránh buồng mẫu quá nóng. Mẫu đƣợc lật và nấu khoảng 5 - 6 lần để
các kim loại nóng chảy hoàn toàn và hòa trộn với nhau tạo thành hợp kim.
2.1.2. Chế tạo mẫu bột Mn-Bi bằng nghiền cơ năng lượng cao
Trong khóa luận này, chúng tôi sử dụng máy SPEX 8000D (hình 2.3) để
nghiên cứu chế tạo mẫu bằng phƣơng pháp nghiền cơ năng lƣợng cao.
a) b)
Hình 2.3. Máy nghiền cơ SPEX 8000D (a), cối và bi nghiền (b)
22
Cấu tạo máy nghiền SPEX 8000D
Hình 2.4. Cấu tạo chi tiết máy nghiền SPEX 8000D [2].
Chú thích:
(1) Hệ thống kẹp đơn. (13) Tay đòn.
(14) Mặt kẹp đứng yên. (2) Giá đỡ.
(3) Hệ thống lò xo giữ kẹp. (15) Đệm lót cao su của mặt kẹp.
(4) Động cơ ròng rọc. (16) Thân kẹp.
(17) Tâm sai. (5) Động cơ.
(18) Giá đỡ khối dựa. 6. Đai truyền.
(7) Ống lót bề mặt kẹp chuyển động. (19) Đai giữ giá đỡ.
(8) Êcu hãm. (20) Trục.
(9) Đinh ốc kẹp (21) Vô lăng.
(10)Thanh liên kết (22) Khối dựa.
(11) Kẹp đinh ốc. (23) Trục ròng rọc.
(12) Mặt kẹp di động.
23
Nguyên tắc hoạt động
Máy SPEX 8000D là một dạng của máy nghiền bi (hình 2.3). Mẫu nghiền
đựng trong cối và đƣợc nghiền bởi nhiều bi nghiền có kích thƣớc khác nhau để tăng
hiệu quả nghiền. Cối và bi thƣờng đƣợc làm từ cùng một loại vật liệu. Máy có thể
nghiền những mẫu cứng nặng khoảng 10 g. Khi máy hoạt động, cối đƣợc lắc đi lắc lại
nhiều lần và đạt khoảng vài nghìn lần/phút, các bi chuyển động đập vào thành cối
làm cho mẫu đƣợc nghiền. Máy có khả năng làm nhỏ mẫu tới kích thƣớc mịn cần
phân tích. Với cấu tạo hai kẹp, máy không chỉ cho phép tăng gấp đôi mẫu đƣợc
nghiền trong cùng một khoảng thời gian, mà còn giúp chuyển động cân bằng hơn,
đồng thời giảm sự rung và kéo dài tuổi thọ của máy. Máy có gắn một đồng hồ điện
tử có thể thay đổi, xác định thời gian nghiền cùng bộ phận làm trơn, làm mát và
khớp cài an toàn. Ngoài ra, máy còn có một quạt bảo vệ động cơ và giữ máy mát
trong suốt thời gian sử dụng.
Chế tạo mẫu bột.
Hợp kim sau khi nấu hồ quang tạo thành tiền hợp kim có thành phần nhƣ dự định
đƣợc đập nhỏ cho vào cối nghiền trong môi trƣờng khí Ar hay dung môi lỏng (xăng
hoặc heptan). Tỉ lệ bi/bột đƣợc chọn để nghiên cứu là 2:1 và 4:1, còn tỉ lệ dung
môi/vật liệu là 2:1. Mẫu đƣợc nghiền trong khoảng thời gian từ 1 h đến 20 h.
Với quá trình nghiền khô (nghiền trong khí Ar không có dung môi) tất cả các
bƣớc thao tác đƣa hợp kim vào cối nghiền và lấy bột nghiền ra khỏi cối đƣợc tiến
hành trong BOX khí. Sơ đồ khối của BOX khí r đƣợc chỉ ra trên hình 2.5. Hình
2.6 cho thấy ảnh thực của hệ thống BOX khí.
1/ Nạp khí Ar vào BOX
(1)
Khí Ar
Buồng Ar
(3)
Buồng đệm
(2)
Bơm chân không
Hình 2.5. Sơ đồ khối của buồng khí Ar.
Găng tay cao su
24
Sử dụng các van (1), (2) và (3) để đuổi khí nhiều lần trong BOX bằng cách
hút chân không trong BOX khí rồi xả khí Ar vào, cuối cùng nạp khí Ar vào BOX,
khóa van (3) (chú ý trong các lần hút, xả và nạp khí không để găng cao su bị kéo
quá căng vì khi đó găng sẽ bị rách).
Hình 2.6. Ảnh thực của BOX khí Ar.
2/ Đưa mẫu vào BOX
- Vẫn khoá chặt cửa (3) rồi đƣa mẫu cần xử lý hoặc cất giữ vào buồng đệm, đậy kín
nắp buồng đệm.
- Đuổi khí khoảng 2 ÷ 3 lần, đảm bảo cho buồng đệm đã sạch không khí thì đóng
van (2), mở van (1) xả Ar vào buồng đệm lần cuối, khi áp suất buồng đệm cân bằng
với BOX thì đóng van (1).
- Lồng tay vào găng cao su, mở cửa (3) lấy mẫu từ buồng đệm đƣa vào BOX. Đóng
cửa (3) rồi làm việc với mẫu qua găng cao su hoặc cất giữ mẫu.
3/ Lấy mẫu ra
- Đậy kín nắp buồng đệm rồi đuổi khí cho buồng đệm 2, 3 lần đảm bảo cho buồng
đệm đã sạch khí thì đóng van (2). Mở van (1) xả Ar vào buồng đệm lần cuối, xả từ
từ r đến khi (3) lật ra thì đóng van (1).
- Lồng tay vào găng cao su, mở cửa (3) đƣa mẫu từ BOX ra buồng đệm.
- Đóng cửa (3), mở cửa buồng đệm lấy mẫu ra.
25
4) Chú ý
- Không đƣợc đảo lộn các trình tự trên.
- Không xả r vào BOX quá đầy sẽ tràn dầu vào BOX khí, không hút chân không
trong BOX quá thấp vì cả 2 việc trên sẽ làm hỏng găng.
- Chỉ mở cửa (3) khi bảo đảm buồng đệm đã chứa Ar tinh khiết.
2.1.3. Ép viên, xử lí nhiệt bột hợp kim Mn-Bi
Ép viên
Hình 2.7. Hệ ép mẫu.
Sau khi nghiền ta thu đƣợc mẫu hợp kim ở dạng bột, nhƣng mẫu bột dễ bị
oxi hóa khi để trong không khí, vì vậy nên ta phải ép mẫu để tạo thành các khối mẫu hình trụ có chiều cao khoảng 3 mm, đƣờng kính 3 mm. Lực ép khoảng 80 kg/cm2.
Hình 2.7 là hệ ép mẫu bột thành khối.
Quá trình ép mẫu để hạn chế oxi hóa mẫu trong quá trình bảo quản, thuận
tiện trong việc xử lí nhiệt và dễ dàng thực hiện đƣợc các phép đo khi phân tích kết
quả.
26
Xử lý nhiệt hợp kim Mn-Bi.
Quá trình ủ nhiệt đƣợc thực hiện trong lò xử lí nhiệt Thermo lindberg blue
M, điều khiển ổn định nhiệt tự động theo chế độ cài đặt, tốc độ gia nhiệt tối đa đạt 50oC/phút.
Hình 2.8. Lò xử lý nhiệt Thermo lindberg blue M
Mẫu sau khi ép viên đƣợc đặt trong ống kim loại và đƣa vào buồng xử lí nhiệt
(hình 2.9). Sau khoảng thời gian nhất định, ống kim loại đƣợc lấy ra và cho ngay
vào nƣớc để tiến hành làm nguội nhanh, tránh tạo các pha khác nhau.
Hình 2.9. Buồng xử lý nhiệt
27
2.2. Chế tạo hợp kim từ mềm Fe-Co theo phƣơng pháp đồng kết tủa.
Hợp phần đƣợc lựa chọn để điều chế Fe-Co là Fe65Co35. Điều chế Fe từ muối
và điều chế Co từ o.4 Mẫu hợp kim đƣợc tính
toán với khối lƣợng thành phần nhƣ sau:
Bảng 2.1. Hợp phần mẫu Fe65Co35
Khối lƣợng (g) Hệ mẫu o.4 (g) (g)
0,5 1,135 0,7657 Fe65Co35
Sau khi cân hợp phần xong cho vào bình 3 vòi trộn hai chất với nhau bằng khuấy
từ 30 phút đồng thời sục khi rgon để loại bỏ khí oxy có trong bình. Hết 30 phút
cho 400ml dung dịch vào bình khuấy tiếp 1 tiếng và bắt đầu ra nhiệt. Sau đó
nhỏ dung dịch NaOH (nhỏ từng giọt, không nhỏ nhanh) và tiếp tục khuấy 30 phút.
Giảm vòng khuấy từ từ rùi tắt khuấy từ và làm nguội mẫu tự nhiên. Làm sạch mẫu
bằng 4 lần ethanol và 1 lần nƣớc cất. Mỗi lần thay ethanol và nƣớc cất phải rung
siêu âm trong 10 phút
Thiết bị thực nghiệm
Hình 2.10. Máy khuấy từ Hình 2.11. Máy rung siêu âm.
28
Hình 2.12. Bộ thí nghiệm chế tạo mẫu.
2.3. Chế tạo tổ hợp nanocomposite Mn-Bi/Fe-Co.
Sau khi chế tạo đƣợc hợp kim từ cứng Mn-Bi theo phƣơng pháp nghiền cơ
năng lƣợng cao và chế tạo đƣợc hợp kim từ mềm Fe-Co theo phƣơng pháp đồng kết
tủa thì ta đem trộn hai tổ hợp kim này lại với nhau ta đƣợc tổ hợp nancomposite
Mn-Bi/Fe-Co. Quá trình chế tạo đƣợc thể hiện thông qua sơ đồ sau:
Hình 2.13. Sơ đồ chế tạo vật liệu từ nanocomposite Mn-Bi/Fe-Co
2.4. Các phƣơng pháp nghiên cứu cấu trúc
2.4.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X.
Nhiễu xạ tia X (hay còn gọi là XRD – X-Ray Diffraction) là phƣơng pháp xác
định cấu trúc tinh thể của vật liệu bằng việc phân tích các ảnh nhiễu xạ thu đƣợc khi
29
cho tia X tác động lên mẫu.
Hình 2.14. Hiện tượng nhiễu xạ tia X.
Hình 2.14 mô tả quá trình phản xạ trên 2 mặt phẳng mạng song song của
chùm tia X. Khoảng cách giữa 2 mặt phẳng mạng là d. Tia X xuyên sâu vào vật liệu
và phản xạ ở những mặt phẳng mạng tinh thể nằm phía sâu dƣới (hkl).
Hiệu quang trình giữa 2 mặt phẳng mạng liên tiếp là : 2d sin.
Phƣơng trình Bragg, điều kiện để xuất hiện nhiễu xạ:
2d sin = n (2.1)
kích thƣớc hạt tinh thể gần đúng theo công thức Scherrer,
D = (2.2)
Trong đó:
: bƣớc sóng kích thích tia X (với = 0,5406 Å).
: độ bán rộng.
: góc nhiễu xạ.
30
Hình 2.15. Nhiễu xạ kế tia X D8- Advance Bruker
Hình 2.15 là thiết bị nhiễu xạ kế tia X- D8 Advance Bruker đặt tại Đại học khoa
học tự nhiên.
2.4.2. Phương pháp phân tích hiển vi điện tử quét (SEM).
Để khảo sát vi cấu trúc của vật liệu ngoài phƣơng pháp nhiễu xạ tia X một số
mẫu chúng tôi sử dụng phƣơng pháp hiển vi điện tử quét. Kính hiển vi điện tử quét
là thiết bị dùng để chụp ảnh vi cấu trúc bề mặt với độ phóng đại gấp nhiều lần so với
kính hiển vi quang học. Kính hiển vi điện tử có thể tạo ra ảnh có độ phân giải cao.
Hình 2.16. Thiết bị HITACHI S - 4800.
Hình 2.16 là kính hiển vi điện tử quét HITACHIS-4800, đặt tại phòng phân tích
31
cấu trúc thuộc Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn Lâm Khoa học và Công nghệ Việt
Nam
2.5.Các phép đo nghiên cứu tính chất từ
2.5.1. Phép đo từ nhiệt trên hệ từ kế mẫu rung.
Các phép đo từ độ phụ thuộc nhiệt độ và phép đo đƣờng cong từ hóa đẳng
nhiệt đƣợc thực hiện trên hệ đo từ kế mẫu rung (VSM) của Phòng Vật lý Vật liệu
Từ và Siêu dẫn thuộc Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và công nghệ
Việt Nam.
Thiết bị này có độ nhạy cỡ 10-4 emu và có thể hoạt động trong từ trƣờng (từ
-12 kOe đến 12 kOe) và trong nhiệt độ (từ 77 K đến 1000 K). Mẫu đo đƣợc đặt trong
bình đựng mẫu và đƣợc ép chặt thành một khối để tránh sự xáo trộn mẫu trong quá
trình đo. Quá trình đo từ độ ở nhiệt độ cao đƣợc thực hiện trong môi trƣờng khí r.
Hình 2.17. Sơ đồ nguyên lý của hệ từ kế mẫu rung (VSM).
(1) Màng rung điện động (7) Mẫu đo
(2) Giá đỡ hình nón (8) Cuộn dây thu tín hiệu
(3) Mẫu so sánh (9) Các cực nam châm
(4) Cuộn dây thu tín hiệu so sánh
Hệ VSM hoạt động dựa vào sự thay đổi từ thông trong các cuộn dây thu, đặt gần
mẫu khi mẫu dao động với tần số xác định theo một phƣơng cố định nhờ một màng
32
rung điện động. Suất điện động cảm ứng xuất hiện trong các cuộn dây thu là do sự
thay đổi khoảng cách tƣơng đối giữa mẫu đo và cuộn dây, do mẫu dao động. Biểu
thức của suất điện động cảm ứng:
e = MAG(r)cos(t) (2.3)
Trong đó M, và lần lƣợt là mômen từ, tần số và biên độ dao động của mẫu;
G(r) là hàm độ nhạy phụ thuộc vào vị trí đặt mẫu so với cuộn dây thu và cấu hình các
cuộn thu. Tín hiệu thu đƣợc từ các cuộn dây đƣợc khuếch đại bằng bộ khuếch đại lọc
lựa tần số nhạy pha trƣớc khi đi đến bộ xử lý để hiển thị kết quả.
2.5.2. Phép đo từ trễ trên hệ từ trường xung.
Các phép đo từ trễ đƣợc thực hiện trên hệ đo từ trƣờng xung với từ trƣờng cực
đại lên đến 90 kOe. Hình 2.19 là hình ảnh hệ đo từ trƣờng xung.
Hệ đƣợc thiết kế theo nguyên tắc nạp - phóng điện qua bộ tụ điện và cuộn dây
(hình 2.18). Dòng một chiều qua K1, nạp điện cho tụ, tụ tích năng lƣợng cỡ vài chục
KJ. Khoá K2 đóng, dòng điện hình sin tắt dần. Dòng điện trong thời gian tồn tại
ngắn đã phóng điện qua cuộn dây nam châm L và tạo trong lòng ống dây một từ
trƣờng xung cao. Mẫu đo đƣợc đặt tại tâm của cuộn nam châm cùng với hệ cuộn
dây cảm biến pick - up.
Hình 2.18. Sơ đồ nguyên lý của hệ đo từ trường xung.
Tín hiệu ở lối ra tỷ lệ với vi phân từ độ và vi phân từ trƣờng sẽ đƣợc thu thập,
33
xử lí hoặc lƣu trữ cho các mục đích cụ thể. Từ trƣờng trong lòng ống dây có thể
đƣợc sử dụng để nạp từ cho các mẫu vật liệu khi chỉ dùng một nửa chu kì hình sin
của dòng điện phóng. Từ trƣờng lớn nhất của hệ có thể đạt tới 100 kOe. Hệ đƣợc điều
khiển và đo đạc bằng kĩ thuật điện tử và ghép nối với máy tính.
Hình 2.19. Hệ đo từ trường xung (PFM)
Để tránh đƣợc hiệu ứng trƣờng khử từ, các mẫu đƣợc đặt sao cho từ trƣờng
ngoài song song và dọc theo chiều dài của mẫu, các mẫu khối đều đƣợc cắt theo
dạng hình trụ. Các mẫu đo đƣợc gắn chặt vào bình mẫu để tránh sự xáo trộn mẫu
trong quá trình đo.
34
CHƢƠNG 3
THẢO LUẬN KẾT QUẢ
3.1. Chế tạo pha từ cứng và pha từ mềm
3.1.1. Chế tạo pha từ cứng Mn-Bi.
Từ những kết quả đã công bố về vật liệu từ cứng Mn-Bi , nhóm chúng tôi đã
quyết định lựa chọn hợp phần để nghiên cứu là Mn50Bi50. Chúng tôi tiến hành nấu
hồ quang và nghiền cơ năng lƣợng cao của mẫu Mn50Bi50 trong thời gian 1 giờ và 2
giờ.
2 h 1 h
Hình 3.1 Ảnh SEM mẫu Mn50Bi50 với thời gian nghiền 1 h và 2 h
Hình 3.1 là ảnh SEM của mẫu Mn50Bi50 sau khi nghiền trong 1 giờ và 2 giờ.
Kết quả từ hình 3.1 cho ta thấy, kích thƣớc hạt của mẫu Mn50Bi50 nghiền 1 giờ có kích
thƣớc từ 50 nm đến 70 nm. Mẫu Mn50Bi50 nghiền 2 giờ có kích thƣớc hạt từ 40-60
nm. Kích thƣớc hạt của mẫu Mn50Bi50 nghiền từ 1 đến 2 giờ thay đổi không nhiều.
Hợp phần Mn50Bi50 sau khi nghiền trong 1 giờ và 2 giờ đƣợc khảo sát cấu trúc bằng
phép đo nhiễu xạ tia X. Hình 3.2 là phổ nhiễu xạ tia X của mẫu Mn50Bi50 nghiền 1
giờ và 2 giờ. Từ hình 3.2 ta thấy cƣờng độ đỉnh nhiễu xạ đặc trƣng cho pha MnBi
khá thấp, trong khi đó các đỉnh nhiễu xạ của nguyên tố Bi chiếm ƣu thế và khá sắc
nét. Trong mẫu còn tồn tại các pha tinh thể Mn và Bi riêng biệt chứng tỏ các nguyên
tố Mn và Bi chƣa thể kết hợp để tạo thành pha tinh thể MnBi.
35
Hình 3.2 Phổ nhiễu xạ tia X
Hình 3.3 là đƣờng cong từ trễ của mẫu nghiền với thời gian khác nhau chƣa ủ
nhiệt.
Hình 3.3 Đường cong từ trễ của mẫu bột Mn50Bi50 với
thời gian nghiền khác nhau chưa ủ nhiệt.
Từ hình 3.3 ta thấy, dáng điệu của đƣờng con từ khử thể hiện tính từ cứng
nhƣng từ độ bão hòa thấp Ms cỡ 20 emu/g nhƣng lực kháng từ lớn từ 17 kOe đến 20
kOe. Để tăng cƣờng tỉ phần pha từ cứng trong mẫu chúng tôi tiến hành ủ nhiệt. Hình
3.4 là giản đồ nghiễu xạ tia X và đƣờng cong từ trễ của mẫu Mn50Bi50 sau ủ nhiệt.
Hình 3.4a là phổ nhiễu xạ tia X của mẫu Mn50Bi50 với thời gian nghiền khác nhau
36
đƣợc ủ nhiệt 280oC trong thời gian 2 giờ. Từ giản đồ nhiễu xạ tia X cho thấy cƣờng
độ đỉnh nhiễu xạ của pha tinh thể MnBi tăng lên đáng kể các cƣờng độ nhiễu xạ của
pha Bi đã giảm rõ rệt, chứng tỏ sau khi ủ nhiệt thì một phần pha tinh thể Mn, Bi đã
kết hợp với nhau để tạo thành pha MnBi
b) a)
Hình 3.4 a) Phổ nhiễu xạ tia X , b) đường cong từ trễ của mẫu bột Mn50Bi50 với thời gian nghiền khác nhau được ủ nhiệt ở 280oC trong thời gian 2 giờ.
Đƣờng cong từ trễ đƣợc thể hiện trên hình 3.4b cho thấy sau khi ủ nhiệt, lực
kháng từ Hc giảm còn 10 - 11 kOe nhƣng từ độ bão hòa Ms tăng lên đáng kể cỡ 50
emu/g. Dáng điệu của đƣờng cong từ trễ khá vuông. Tính chất từ thu đƣợc phù hợp
với những kết quả thể hiện trên giản đồ nhiễu xạ tia X.
3.1.2. Chế tạo pha từ mềm Fe-Co.
Hợp phần chúng tôi lựa chọn chế tạo vật liệu từ mềm Fe-Co bằng phƣơng
pháp đồng kết tủa là Fe65Co35. Sau khi chế tạo, mẫu bột đƣợc phân tích cấu trúc
bằng phƣơng pháp nhiễu xạ tia X(XRD) và phƣơng pháp hiển vi điện tử quét
(SEM). Hình 3.5 là kích thƣớc hạt và giản đồ nhiễu xạ tia X của pha từ mềm
Fe65Co35.
37
Hình 3.5 a) Ảnh SEM của mẫu Fe65Co35, b) Phổ nhiễu xạ tia X
Từ hình 3.5a cho thấy kích thƣớc hạt pha từ mềm Fe65Co35 đạt cỡ 50nm -70
nm. Trên phổ nhiễu xạ tia X xuất hiện các đỉnh nhiễu xạ đặc trƣng cho sự kết tinh của pha tinh thể Fe65Co35 . Đỉnh nhiễu xạ của FeCo xuất hiện tại góc 2 = 44,7o, 2 = 65,2o và đạt cực đại ở góc 2 = 44,7o.
Hình 3.6. Đường cong từ trễ của pha từ mềm Fe65Co35
Hình 3.6 đƣờng cong từ trễ của pha từ mềm Fe65Co35 Đƣờng cong từ trễ của
mẫu Fe65Co35 thể hiện tính từ mềm, giá trị của từ độ bão hòa đạt 185 eum/g, lực
kháng từ cỡ 70 Oe.
38
3.2. Chế tạo Vật liệu từ cứng Nanocomposite Mn50Bi50/Fe65Co35
3.2.1. Sử dụng pha từ cứng chưa ủ nhiệt.
Sử dụng bột từ cứng Mn50Bi50 chƣa ủ nhiệt và bột từ mềm Fe65Co35 đƣợc cân
theo tỉ lệ đã định khối lƣợng pha từ mềm Fe65Co35 bằng 2, 4, 6 và 8% khối lƣợng
pha từ cứng. Hỗn hợp cứng/mềm đƣợc trộn trong thời gian 1h. Hình 3.7 đƣờng cong
từ trễ của các mẫu tổ hợp. Từ hình 3.7 cho thấy sau khi trộn với pha từ cứng chƣa ủ
nhiệt thì mẫu thể hiện tính đa pha từ khá mạnh. Biểu hiện trên các đƣờng cong từ trễ
thắt dần ở giữa và tăng theo tỉ lệ pha từ mềm. Điều này cho thấy các pha từ chƣa
tƣơng tác với nhau.
a) 1 h b) 2 h
Hình 3.7. Đường cong từ trễ của pha từ cứng khi chưa ủ nhiệt
Với mong muốn tăng cƣờng pha từ cứng và sự tƣơng tác giữa pha từ cứng và pha từ mềm, chúng tôi thực hiện ủ nhiệt ở 280oC trong thời gian 2 giờ. Hình 3.8 các
đƣờng cong từ trễ của mẫu tổ hợp đã ủ nhiệt. Sau ủ nhiệt lực kháng từ tăng Hc tăng,
từ độ bão hòa của Ms tăng nhƣng không đáng kể tuy nhiên dáng điệu đƣờng cong từ
trễ vuông hơn. Chứng tỏ sau ủ nhiệt sự tƣơng tác giữa hai pha cứng/mềm tăng lên. Điều này có thể giải thích nhƣ sau: với nhiệt độ ủ 280oC không là thay đổi cấu trúc của pha từ mềm nhƣng làm tăng tỉ phần của pha từ cứng. Bởi vì, ở nhiệt độ 280oC là
nhiệt độ thích hợp để tạo pha MnBi.
39
Hình 3.8. Đường cong từ trễ của pha từ cứng đã ủ nhiệt
Giá trị của lực kháng từ và từ độ bão hòa trƣớc và sau ủ nhiệt đƣợc thể hiện
trong bảng 3.1.
Bảng 3.1. Từ độ bão hòa và lực kháng từ của mẫu trước và sau ủ nhiệt ở 280oC trong 2 giờ.
Tỉ lệ pha từ mềm 2% 4% 6% 8% Fe65Co35
Tính chất từ của vật Ms Hc Ms Hc Ms Hc Ms Hc
liệu tổ hợp emu/g kOe emu/g kOe emu/g kOe emu/g kOe
1 h 24 11,94 27 5,71 30 3,11 34 2,59 Trƣớc ủ nhiệt 2 h 23 14,19 26 5,93 30 3,87 33 2,83
1 h 39 8,1 43 7,02 46 5,67 49 4,05 Sau ủ nhiệt 2 h 35 10,27 38 8,1 43 5,94 46 4,32
Từ bảng kết quả ta thấy sau khi ủ nhiệt các pha từ cứng và pha từ mềm đã
tƣơng tác với nhau nhƣng còn hơn yếu. Tính chất từ đã đƣợc cải thiện nhƣng vẫn
chƣa đáng kể. Sự thay đổi tính chất từ của pha từ cứng nghiền 1 giờ và 2 giờ chƣa
đáng kể. Do đó chúng tôi tiếp tục khảo sát sự ảnh hƣởng của pha từ cứng đã ủ nhiệt
đến tính chất của vật liệu từ tổ hợp Mn50Bi50/Fe65 Co35.
3.2.2. Sử dụng pha từ cứng đã ủ nhiệt
Pha từ cứng đã đƣợc ủ ở nhiệt 280oC trong thời gian 2 giờ. Lựa chọn tỉ lệ
40
khối lƣợng pha từ mềm là 2, 4, 6 và 8% khối lƣợng pha từ cứng. Hỗn hợp đƣợc trộn
với thời gian 1 giờ trong môi trƣờng khí r.
1h 2h
Hình 3.9: Đường cong từ trễ của mẫu tổ hợp cứng/mềm với pha từ cứng đã ủ nhiệt
Từ hình 3.9 cho thấy mẫu tổ hợp thể hiện tính đa pha từ. Hình dáng đƣờng
cong từ trễ chƣa đƣợc cải thiện so với kết quả ở trên. Giá trị của lực kháng từ và từ
độ bão hòa thể hiện ở bảng 3.2.
Bảng 3.2. Từ độ bão hòa và lực kháng từ của mẫu tổ hợp có pha từ cứng đã ủ nhiệt.
Tỉ lệ pha từ mềm Fe65Co35
2% 4% 6% 8%
Tính chất từ của vật Ms Hc Ms Hc Ms Hc Ms Hc
liệu tổ hợp emu/g kOe emu/g kOe emu/g kOe emu/g kOe
Thời gian nghiền 1 h 34 11,09 38 8,00 46 6,45 48 4,38
Thời gian nghiền 2 h 31 10,14 36 5,63 41 3,67 45 3,94
Đem so sánh kết quả trên bảng 3.1 và 3.2 chúng tôi nhận thấy chƣa có sự
khác biệt giữa pha từ cứng nghiền 2 giờ và pha từ cứng nghiền 1 giờ. Vật liệu tổ
hợp nanocomposite với pha từ cứng nghiền 2 giờ đã ủ nhiệt tốt hơn pha từ cứng đã ủ
nhiệt nghiền 1 giờ và tổ hợp nanocoposite chƣa ủ nhiệt và đã ủ nhiệt. Tuy nhiên
hình dáng đƣờng cong từ trễ thể hiện tính đa pha từ, phẩm chất từ chƣa đƣợc nhƣ kì
vọng.
41
KẾT LUẬN
1. Đã chế tạo đƣợc vật liệu từ cứng Mn-Bi bằng phƣơng pháp nghiền cơ năng lƣợng
cao và xử lí nhiệt. Kết quả thu đƣợc lực kháng từ là tƣơng đối cao cỡ 11 kOe và
từ độ bão hòa đạt cỡ 50 eum/g.
2. Đã chế tạo thành công hệ vật liệu từ mềm Fe65Co35 theo phƣơng pháp đồng kết
tủa. Kết quả thu đƣợc từ độ bão hòa lớn đạt cỡ 185 emu/g và lực kháng từ cỡ 70
Oe.
3. Đã thử nghiệm chế tạo vật liệu tổ hợp Mn50Bi50/Fe65Co35 với tỉ lệ pha từ mềm
Fe65Co35 lần lƣợt là 2, 4, 6 và 8% khối lƣợng pha từ cứng với hai trƣờng hợp pha
từ cứng chƣa ủ nhiệt và pha từ cứng đã ủ nhiệt.
4. Khảo sát đƣợc ảnh hƣởng của kích thƣớc hạt pha từ cứng đến tính chất từ của vật
liệu tổ hợp. Vật liệu tổ hợp nanocomposite với pha từ cứng nghiền 2 giờ đã ủ
nhiệt tốt hơn pha từ cứng đã ủ nhiệt nghiền 1 giờ và tổ hợp nanocoposite chƣa ủ
nhiệt và đã ủ nhiệt
42
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng việt
1. Nguyễn Mẫu Lâm, Nghiên cứu chế tạo vật liệu từ cứng nanocomposite
(Nd,Pr)-Fe-Nb-B (2008) Luận văn thạc sỹ khoa học Vật lí, Trƣờng Đại học
Sƣ phạm Hà Nội 2.
2. Trần thị Hà, Nghiên cứu chế tao vật liệu từ cứng naono Mn-Bi/Fe-Co (2015)
Luận văn thạc sĩ khoa học vật chất, Trƣờng Đại học Sƣ phạm Hà Nội 2
Tiếng anh
3. George C. Hadjipanayis, Moving Beyond Neodymium-Iron Permanent
Magnets for Electric Vehicle Motors. December 3 (2010) Trans-Atlantic
Workshop on Rare-Earth Elements and Other Critical Materials for a Clean
Energy Future Cambridge, Massachusetts,
4. J. F. Herbst, J. J. Croat and W. B. Yelon, Structural and magnetic properties
of Nd2Fe14Bn (1985) Journal of Applied Physics 57(8) 4086-4090
5. Jihoon Park, Yang-Ki Hong, Jaejin Lee, Woncheol Lee, Seong-Gon Kim and
C.-J Choi Electronic Structure and Maximum Energy Product of MnBi
(2014) Metals 4 455-464
6. K. Strnat, G. Hoffer, J. Olson, W. Ostertag and J. J. Becker A Family of New
Cobalt‐Base Permanent Magnet Materials (1967) Journal of Applied Physics
38(3) 1001-1002
7. K. Kang et al. Alignment and analyses of MnBi/Bi nanostructures (2005)
Appl. Phys. Lett. 87, 062505 ,
8. Kyongha Kang et al...Magnetic and transport properties of MnBi/Bi
nanocomposites (2006) J. Appl. Phys. 99, 08N703
9. Keiichi Koyama et al, Magnetic Phase Transition of MnBi under High
Magnetic Fields and High Temperature (2007) materials transactions 48,
2414 .
10. M. Sagawa, S. Fujimura, N. Togawa, H. Yamamoto and Y. Matsuura, New
43
material for permanent magnets on a base of Nd and Fe (1984) Journal of
Applied Physics 55(6) 2083-2087
11. S Kavita, V V Ramakrishna and A. S. a. R. Gopalan, Structural and
magnetic properties of the low temperature phase MnBi with ball milling
(2016) Mater. Res. Express 4(56102) 1-9
12. Tetsuji Saito and Daisuke Nishio-Hamane, New hard magnetic phase in
Mn–Ga–Al system alloys (2015) Journal of Alloys and Compounds 632 486–
489
13. Yongsheng Liu et al, Microstructure, crystallization, and magnetization
behaviors in MnBi-Bi composites aligned by applied magnetic field (2005)
Phys. Rev. B 72, 214410 .
14. Yongsheng Liu et al, Effect of magnetic field on the TC and magnetic
properties for the aligned MnBi compound (2006) Solid State
Communications 138, 104,
15. Y.Q. Guoa, W. Lia, J. Luob, W.C. Fenga and J. K. Liang Structure and
magnetic characteristics of novel SmCo-based hard magnetic alloys (2006) J.
Magn. Magn. Mater. 303 e367 – e370
16. Yongsheng Liu et al, Magnetic anisotropy and spin disorder in textured
MnBi crystals synthesized by a field-inducing approach at a high
temperature (2008) J. Appl. Phys. 104, 043901
44
