Khóa luận tốt nghiệp: Ảnh hưởng của pha tạp Nb và ủ nhiệt lên cấu trúc và tính chất của hợp kim từ cứng nền Co-Zr-B chế tạo bằng phương pháp phun băng nguội nhanh

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:51

Thêm vào BST

Báo xấu

21
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Khóa luận hoàn thành việc nghiên cứu ảnh hưởng của pha tạp Nb và ủ nhiệt lên cấu trúc và tính chất của hợp kim từ cứng nền Co-Zr-B sẽ là cơ sở cho việc chế tạo vật liệu từ cứng có lực kháng từ cao mà không chứa đất hiếm. Mời các bạn cùng tham khảo.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Khóa luận tốt nghiệp: Ảnh hưởng của pha tạp Nb và ủ nhiệt lên cấu trúc và tính chất của hợp kim từ cứng nền Co-Zr-B chế tạo bằng phương pháp phun băng nguội nhanh

TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2 KHOA VẬT LÝ TRẦN HỒNG CHIẾN ẢNH HƢỞNG CỦA PHA TẠP Nb VÀ Ủ NHIỆT LÊN CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT TỪ CỦA HỢP KIM Co-Zr-B CHẾ TẠO BẰNG PHƢƠNG PHÁP PHUN BĂNG NGUỘI NHANH Chuyên ngành: Vật lý chất rắn KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Ngƣời hƣớng dẫn khoa học ThS. Nguyễn Văn Dƣơng Hà Nội, 2018
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2 KHOA VẬT LÝ TRẦN HỒNG CHIẾN ẢNH HƢỞNG CỦA PHA TẠP Nb VÀ Ủ NHIỆT LÊN CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT TỪ CỦA HỢP KIM Co-Zr-B CHẾ TẠO BẰNG PHƢƠNG PHÁP PHUN BĂNG NGUỘI NHANH Chuyên ngành: Vật lý chất rắn KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Ngƣời hƣớng dẫn khoa học ThS. Nguyễn Văn Dƣơng Hà Nội, 2018
MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN LỜI CAM ĐOAN MỞ ÐẦU .......................................................................................................... 1 1. Lý do chọn đề tài ........................................................................................... 1 2. Mục đích và phạm vi nghiên cứu .................................................................. 2 3. Nhiệm vụ nghiên cứu .................................................................................... 2 4. Phương pháp nghiên cứu............................................................................... 2 5. Đóng góp của luận văn .................................................................................. 3 6. Cấu trúc của luận văn .................................................................................... 4 NỘI DUNG....................................................................................................... 4 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU TỪ CỨNG NỀN Co-Zr-B ............................................................................................................ 4 1.1. Cấu trúc và tính chất từ của một số hệ hợp kim Co-Zr-B.......................... 4 1.1.1. Cấu trúc và tính chất từ của hệ hợp kim Co80Zr20-xBx (x = 0 - 4) chế tạo bằng phương pháp thiêu kết xung điện Plasma(SPS) ....................................... 4 1.1.2. Cấu trúc và tính chất từ của hệ hợp kim Co72Zr8B20 ............................... 6 1.1.3. Cấu trúc và tính chất từ của hệ hợp kim Co80Zr20-xBx (x = 0 - 4) chế tạo bằng phương pháp phun băng nguội nhanh ...................................................... 8 1.2. Cấu trúc và tính chất từ của một số hệ hợp kim Co-Zr-B có pha tạp .. ....12 1.2.1. Hệ hợp kim Co80Zr18-xMxB2 (x = 0 - 2) M = C, Cu, Ga, Al và Si ..... ....12 1.2.2. Hệ hợp kim Co86,5Hf11,5-xZrxB2 (x = 0, 1, 2, 3 và 5) .............................. 15 1.2.3. Hệ hợp kim Co80Zr18-xTixB2 (x = 0 - 4) ................................................ 17 1.2.4. Hệ hợp kim Co80-xZr18CrxB2 (x = 0, 2, 3 và 4) ..................................... 20 1.2.5. Hệ hợp kim Co80Zr18-xNbxB2 (x = 0 - 4) .............................................. 24
1.2.6. Hệ hợp kim Co80Zr18-xMoxB2 (x = 0 - 4) .............................................. 28 CHƢƠNG 2. KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM ............................................. 32 2.1 Các phương pháp chế tạo mẫu .................................................................. 32 2.1.1. Chế tạo mẫu hợp kim Co-Zr-Nb-B bằng lò hồ quang .......................... 32 2.1.2. Chế tạo mẫu hợp kim Co-Zr-Nb-B bằng phương pháp phun băng nguội nhanh .............................................................................................................. 33 2.1.3. Xử lí nhiệt mẫu hợp kim Co-Zr-Nb-B .................................................. 34 2.2 Các phép đo nghiên cứu cấu trúc và tính chất từ ...................................... 35 2.2.1. Nhiễu xạ tia X ...................................................................................... .35 2.2.2. Phép đo từ trễ ........................................................................................ 35 CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................... 38 3.1. Cấu trúc và tính chất từ của hệ hợp kim Co-Zr-B trước khi ủ nhiệt ........ 38 3.2. Cấu trúc và tính chất từ của hệ hợp kim Co-Zr-B sau khi ủ nhiệt ........... 39 KẾT LUẬN .................................................................................................... 42 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 43
LỜI CẢM ƠN Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy giáo ThS. Nguyễn Văn Dương đã giúp đỡ, chỉ bảo tận tình trong suốt quá trình thực hiện khóa luận này. Tôi xin chân thành cảm ơn tới GS.TS Nguyễn Huy Dân và ThS. Nguyễn Mẫu Lâm đã tạo điều kiện thuận lợi về trang thiết bị cũng như giúp đỡ trong quá trình làm thực nghiệm và hoàn thành khóa luận này. Tôi xin chân thành cảm ơn sâu sắc đến các thầy, cô giáo trong khoa Vật lý trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 đã trang bị cho tôi những kiến thức cần thiết để thực hiện khóa luận này. Tuy nhiên đây là lần đầu tiên làm quen với việc nghiên cứu khoa học nên đề tài của tôi không tránh khỏi thiếu sót. Vì vậy, tôi rất mong được sự góp ý của quý thầy, cô giáo và các bạn sinh viên để khóa luận của tôi được hoàn thiện hơn. Tôi xin chân thành cảm ơn! Hà nội, tháng 5 năm 2018 Sinh viên Trần Hồng Chiến
LỜI CAM ĐOAN Khóa luận tốt nghiệp: “Ảnh hưởng của pha tạp Nb và ủ nhiệt lên cấu trúc và tính chất của hợp kim từ cứng nền Co-Zr-B chế tạo bằng phương pháp phun băng nguội nhanh” là kết quả nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của thầy giáo ThS. Nguyễn Văn Dương. Khóa luận này không trùng với kết quả của các tác giả khác. Tôi xin cam đoan những điều trên đây là đúng sự thật, nếu sai tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm. Hà Nội, tháng 5 năm 2018 Sinh viên Trần Hồng Chiến
MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Vật liệu từ cứng (VLTC) đã được phát hiện và sử dụng từ cách đây rất lâu. Ngay từ trước công nguyên, người Trung Quốc đã chế tạo ra các kim chỉ nam để xác định phương hướng, đó là các nam châm có khả năng hút sắt và định hướng Bắc. Cho đến năm 1920 (VLTC) nhân tạo đầu tiên đã được chế tạo có thể thay thế nam châm tự nhiên có (BH)max  1 MGOe, từ đó hướng nghiên cứu tập chung vào nâng cao biện pháp công nghệ, thay đổi hợp phần để tìm ra loại vật liệu mới. Năm 1988 Coehoorn và các cộng sự [25] ở phòng thí nghiệm Philip Research (Hà Lan) đã phát minh ra loại vật liệu mới Nd-Fe-B có Br = 1,0 T, Hcj = 280 kA/m, (BH)max  12,4 MGOe. Kể từ đây vật liệu Nd-Fe-B được đặc biệt chú ý quan tâm và nghiên cứu. Nhiều công trình nghiên cứu về vi cấu trúc, thành phần hợp phần, công nghệ chế tạo, v.v... trên đối tượng vật liệu này đã được công bố và đã có những bước tiến vượt bậc trong thương mại và mở rộng phạm vi ứng dụng [6, 8, 24, 32]. Hiện nay nam châm thiêu kết Nb-Fe-B được sử dụng rất rộng rãi trong mọi lĩnh vực trong đời sống: (i) ngành công nghiệp: phanh (ABS), môtơ khởi động quạt hay điều khiển, cửa sổ, Robot,... (ii) điện tử: hệ loa, chuông điện thoại, bộ chuyển mạch, rơle, môtơ bước, máy in,... (iii) y học: máy cộng hưởng từ, tim nhân tạo hay làm lành vết thương và chỉnh hình bởi chúng có các tính chất từ nội tại tốt của chúng v.v... [4, 5, 8, 11, 13, 15, 16, 18, 20, 33]. Hiện nay, các tính chất từ các loại vật liệu này đã được nghiên cứu đến mức gần giới hạn lý thuyết của chúng. Hơn nữa loại vật liệu này lại chứa các nguyên tố đất hiếm, các nguyên tố này hữu hạn trong tự nhiên. Bên cạnh đó trữ lượng đất hiếm lại tập trung chủ yếu ở một số nước trên thế giới (Trung Quốc chiếm > 97%) dẫn đến việc thiếu hụt và tăng giá thành sản phẩm [11], khó chủ động trong việc nghiên cứu đối với loại vật liệu này. Do đó, vấn đề quan trọng và đáng quan tâm hơn cả là phải khám phá ra loại vật liệu từ cứng mới mà không có chứa đất hiếm (RE-free). Trong những năm trở lại đây các nhà khoa học đã quan tâm và nghiên cứu đến một loại vật liệu từ cứng mới đó là hợp kim từ cứng nền Co-Zr-B, bởi chúng 1
không chứa các nguyên tố đất hiếm. Hơn nữa bằng việc thay thế các nguyên tố và thay đổi các điều kiện công nghệ chế tạo đã cải thiện đáng kể về cấu trúc và tính chất từ cứng của chúng. Chính vì vậy, tôi lựa chọn đề tài nghiên cứu “Ảnh hƣởng của pha tạp Nb và ủ nhiệt lên cấu trúc và tính chất của hợp kim từ cứng nền Co-Zr-B chế tạo bằng phƣơng pháp phun băng nguội nhanh” 2. Mục đích nghiên cứu - Nghiên cứu cấu trúc và tính chất từ của hợp kim từ cứng nền Co-Zr-B. 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu - Vật liệu từ cứng nền Co-Zr-B pha tạp Nb. - Nghiên cứu cấu trúc và tính chất từ. 4. Nhiệm vụ nghiên cứu - Chế tạo hợp kim Co-Zr-Nb-B trên lò hồ quang. - Phun băng hợp kim Co-Zr-Nb-B trên hệ phun băng nguội nhanh. - Đo các tính chất vật lý của hệ mẫu đã chế tạo. - Nghiên cứu cấu trúc và tính chất từ của băng hợp kim đã chế tạo. 5. Phƣơng pháp nghiên cứu - Các mẫu nghiên cứu sẽ được chế tạo bằng phương pháp nguội nhanh. - Cấu trúc của vật liệu sẽ được phân tích bằng phương pháp nhiễu xạ tia X. - Tính chất từ sẽ được nghiên cứu bằng các phép đo từ độ. - Tính chất từ được khảo sát bằng phép đo từ trễ trên hệ từ trường xung PFM. 6. Đóng góp của đề tài - Hoàn thành việc nghiên cứu ảnh hưởng của pha tạp Nb và ủ nhiệt lên cấu trúc và tính chất của hợp kim từ cứng nền Co-Zr-B sẽ là cơ sở cho việc chế tạo vật liệu từ cứng có lực kháng từ cao mà không chứa đất hiếm. 7. Nội dung đề tài Ngoài phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo, luận văn gồm ba chương: Chương 1. Tổng quan về vật liệu từ cứng không chứa đất hiếm nền Co- Zr-B 2
Chương 2. Kỹ thuật thực nghiệm Chương 3. Kết quả và thảo luận 3
NỘI DUNG CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU TỪ CỨNG KHÔNG CHỨA ĐẤT HIẾM NỀN Co-Zr-B 1.1. Cấu trúc và tính chất của hệ hợp kim Co-Zr-B không pha tạp 1.1.1. Cấu trúc và tính chất từ của hệ hợp kim Co80Zr20-xBx (x = 0 - 4) chế tạo bằng phương pháp thiêu kết xung điện Plasma (SPS) Các tính chất từ của nam châm Co-Zr-B được sản xuất bằng phương pháp thiêu kết plasma đã được Tetsuji saito và Tomoya Akiyama nghiêm cứu [28]. Sự phụ thuộc của lực kháng từ vào nhiệt độ thiêu kết của nam châm Co-Zr-B được thể hiện trong hình 1.1. Hình 1.1. Sự phụ thuộc của lực kháng từ vào nhiệt độ ủ của hợp kim Co80Zr20-xBx [28]. Nam châm của Co-Zr-B, Một trong những hợp chất từ vĩnh cửu không có các nguyên tố đất hiếm, đã được chế tạo thành công bằng phương pháp thiêu kết xung điện plasma (SPS) thể hiện lực kháng từ cao hơn băng nguội nhanh Co-Zr-B. Tiếp xúc với nhiệt trong quá trình thiêu kết dẫn đến sự gia tăng lực kháng từ như trong trường hợp ủ các băng nguội nhanh. Vời bất kì nồng độ B, lực kháng từ của nam châm đạt giá trị cực đại sau khi thiêu kết ở 873 K và lực kháng từ đạt giá trị lớn nhất là 4,3 kOe với hợp kim Co80Zr18B2. Các cấu trúc của hợp kim Co-Zr-B thiêu kết ở 873 K được kiểm tra bởi các nghiên cứu nhiễu xạ tia X và từ trường nhiệt. Hình 1.2 là phổ nhiễu xạ tia X của mẫu hợp kim Co80Zr20-xBx (x = 0 - 4) thiêu kết ở nhiệt độ 873 K. 4
Hình 1.2. Phổ nhiễu xạ tia X của mẫu Hình 1.3. Đường cong từ trễ của hợp kim Co80Zr20-xBx (x = 0 - 4) thiêu của mẫu bột Co80Zr18B2 thiêu kết ở kết ở nhiệt độ 873 K: (a) Co80Zr20, (b) 873 K được ép song song và Co80Zr18B2 và (c) Co80Zr16B4 [28]. vuông góc [28]. Trong hợp kim Co80Zr20, Co80Zr18B2 và Co80Zr18B4 đã tìm thấy các đỉnh nhiễu xạ của pha Co5Zr và Co23Zr6. Điều này cho thấy các nam châm Co-Zr-B thiêu kết ở nhiệt độ 873 K bao gồm các pha Co5Zr và Co23Zr6. Do sự chồng chéo của các đỉnh nhiễu xạ dẫn đến gặp nhiều khó khăn trong việc đánh giá về các tỉ lệ tương ứng của các pha tinh thể trong các hợp kim nền Co-Zr-B. Để so sánh mô hình nhiễu xạ tia X của hợp kim khối Co80Zr18B2 đã được kiểm tra để xem xét sự liên kết tinh thể của các pha Co5Zr. Các mẫu nhiễu xạ của hợp kim Co80Zr18B2 hơi khác so với các hợp kim Co80Zr18B2 bột, cho thấy sự liên kết tinh thể của các giai đoạn Co5Zr trong hợp kim khối Co80Zr18B2 là đạt đến một mức độ nhất định. Tuy nhiên, sự liên kết tinh thể là không quá quan trọng như mong đợi cho các nam châm đẳng hướng. Nó là điều cần thiết để làm biến dạng nam châm Co80Zr18B2 để tạo ra một sự liên kết tinh thể cao hơn của pha Co5Zr. Để kiểm tra tính dị hướng từ của hợp kim Co-Zr-B được chế tạo bởi phương pháp SPS, các tính chất từ của hợp kim Co80Zr18B2 nung kết ở 873 K được đo theo hướng ép song song và vuông góc. Các đường cong từ trễ được thể hiện trong hình 1.3. Kết quả cho thấy các đường cong từ trễ của hợp kim Co80Zr18B2 khá khác nhau, với một độ từ dư cao hơn là 6,4 kG tính theo hướng song song so với mức 4,0 kG 5
được đo theo hướng vuông góc. Như vậy, hợp kim Co80Zr18B2 thể hiện tính đẳng hướng từ. Sự liên kết tinh thể của các pha Co5Zr trong hợp kim Co80Zr18B2 có thể là lý do cho quan sát tính hướng từ. Sản phẩm năng lượng tối đa (BH)max là 6,0 MGOe đã đạt được với hợp kim Co80Zr18B2 đo theo hướng song song. Được biết giá trị tích năng lượng lý tưởng (BH)max được tính bằng công thức (BH)max = Ir2/4 (với Ir là giá trị từ dư) khi giá trị lực kháng từ bằng hoặc cao hơn giá trị từ dư. Tuy nhiên, giá trị tích năng lượng cực đại (BH)max của hợp kim Co80Zr18B2 là nhỏ hơn nhiều so với giá trị lý tưởng của (BH)max, ước tính là 10,2 MGOe bằng cách sử dụng giá trị từ dư 6,4 kG. Điều này một phần là do các lực kháng từ nhỏ và một phần do độ vuông của các đường cong từ trễ. Như vậy, áp dụng phương pháp biến dạng nóng để cải thiện độ vuông của các đường cong từ trễ trong hợp kim Co-Zr-B. Nó đã được báo cáo rằng sự thay thế nhỏ của Nb hoặc Mo cho Zr trong băng nguội nhanh Co-Zr-B dẫn đến cải thiện lực kháng từ [23, 35] và nâng cao giá trị tích năng lượng (BH)max của hợp kim Co-Zr-B. 1.1.2. Cấu trúc và tính chất từ của hệ hợp kim Co72Zr8B20 Ảnh hưởng của ủ nhiệt lên tính chất từ của hợp kim Co72Zr8B20 đã được Zhang và các cộng sự nghiên cứu [18]. Phổ nhiễu xạ tia X của mẫu băng hợp kim Co72Zr8B20 khi chưa ủ và ủ ở các nhiệt độ khác nhau trong thời gian 10 phút được thể hiện trong hình 1.4. Hình 1.4. Phổ XRD của mẫu băng Co72Zr8B20 khi chưa ủ (a), khi ủ ở 495oC (b), 540oC (c), 630oC (d) trong 10 phút [21]. Hình 1.4 (a) cho thấy một đỉnh điểm nhiễu xạ, điều này chỉ ra rằng mẫu băng hợp kim Co72Zr8B20 khi chưa ủ ở trạng thái vô định hình. Sau khi ủ băng hợp kim Co72Zr8B20 tại 495oC, vẫn là không có pha tinh thể nào tồn tại, như hình 1.4 6
(b). Khi nhiệt độ ủ (Ta) đạt 540oC, khi đó đã xuất hiện đỉnh nhiễu xạ cao, rõ ràng thể hiện sự xuất hiện của một số pha tinh thể, như hình 1.4 (c). Sau khi mẫu được ủ tại 630oC, các pha tinh thể Co, Zr và B12Zr được hình thành, như hình 1.4 (d). Hình 1.5 là các đường cong từ trễ của mẫu băng Co72Zr8B20 khi chưa ủ và ủ ở 495 C, 540oC và 630oC trong 10 phút. Như đã thấy từ hình 1.5, các mẫu băng khi o chưa ủ thể hiện tính từ mềm. Sau khi mẫu được ủ tại 495oC và 540oC các đường cong từ trễ có thay đổi chút ít, có thể do các mômen từ bắt đầu đổi chiều. Hình 1.5. Đường cong từ trễ của mẫu băng Co72Zr8B20 khi chưa ủ và ủ ở 495oC, 540oC và 630oC trong 10 phút [21]. Sau khi ủ mẫu băng Co72Zr8B20 tại 630oC trong 10 phút, hình dạng đường cong từ trễ thay đổi mạnh, đặc biệt là phần trung tâm của đường cong từ trễ sẽ thành hình dạng „s‟. Lực kháng từ của mẫu băng tăng lên rất nhiều đó là do sự kết tinh của mẫu. 7
Lực kháng từ Hc của mẫu băng Co72Zr8B20 khi chưa ủ và ủ ở các nhiệt độ khác nhau được thể hiện trong bảng 1.1. Bảng 1.1. Lực kháng từ Hc của mẫu băng Co72Zr8B20 trước và sau ủ nhiệt. Mẫu thực nghiệm Hc (Oe) Mẫu chưa ủ 2,27 Mẫu ủ ở 495oC trong 10 phút 5,13 Mẫu ủ ở 540oC trong 10 phút 11,45 Mẫu ủ ở 630oC trong 10 phút 925,27 Với nhiệt độ ủ tăng, lực kháng từ đi lên đáng kể, cho thấy sự suy giảm của tính chất từ mềm. Khi nhiệt độ ủ đạt 630oC, lực kháng từ Hc đạt 925 Oe, gợi ý rằng mẫu trở nên từ tính cứng. 1.1.3. Hệ hợp kim Co80Zr20-xBx (x = 0 - 4) chế tạo bằng phương pháp phun băng nguội nhanh Vi cấu trúc của hợp kim Co80Zr20-xBx (x = 0 - 4) chế tạo bằng phương pháp phun băng nguội nhanh đã được Tetsuji Saito và các cộng sự nghiên cứu [19]. Hình 1.6 là các đường cong từ khử của mẫu băng Co80Zr20-xBx (x = 0 - 4). Cho thấy giá trị lực kháng từ 2 kOe đã thu được cho hợp kim Co80Zr20. Việc bổ sung một lượng nhỏ của B cho hợp kim Co-Zr dẫn đến một sự gia tăng đáng kể của lực kháng từ. Giá trị lực kháng từ cao nhất 5 kOe thu được với hợp kim Co80Zr18B2. Hình 1.7 là phổ nhiễu xạ tia X của các băng hợp kim Co80Zr20-xBx. Các đỉnh nhiễu xạ của các pha CoxZr và Co23Zr6 được tìm thấy trong phổ XRD của hợp kim Co80Zr20-xBx. Các đỉnh nhiễu xạ của các pha CoxZr và Co23Zr6 cũng được tìm thấy trong phổ XRD của các hợp kim Co80Zr18B2 và Co80Zr16B4. Tuy nhiên, cường độ của các đỉnh nhiễu xạ của pha Co23Zr6 trở nên yếu hơn khi tăng hàm lượng B. Điều này cho thấy sự thay thế một lượng nhỏ của B cho Zr trong hợp kim Co80Zr20 dẫn đến sự hình thành của pha từ cứng CoxZr. 8
Hình 1.6. Đường cong khử từ của Hình 1.7. Phổ XRD của mẫu băng mẫu băng Co80Zr20-xBx (x = 0 - 4): Co80Zr20-xBx (x = 0 - 4): (a) Co80Zr20, (b) (a) Co80Zr20, (b) Co80Zr18B2, (c) Co80Zr18B2, (c) Co80Zr16B4 [27]. Co80Zr16B4 [27]. Hình 1.8 cho thấy ảnh hiển vi điện tử quét SEM (Scanning Electron Microscope) của các băng hợp kim Co80Zr20-xBx. Có thể quan sát thấy vi cấu trúc của hợp kim Co80Zr20 gồm các hạt mịn có đường kính khoảng 1 µm. Các nghiên cứu XRD và từ tính khác đã chỉ ra rằng chúng là hạt CoxZr. Hiển vi điện tử quét SEM cũng thu được kết quả tương tự với các hợp kim Co80Zr18B2 và Co80Zr16B4. Hình 1.8. Ảnh SEM của mẫu băng Co80Zr20-xBx (x = 0 - 4): (a) Co80Zr20, (b) Co80Zr18B2, (c) Co80Zr16B4 [27]. Để làm rõ sự khác biệt giữa các mẫu vật, sự phân bố kích thước hạt và kích thước hạt trung bình đo từ hiển vi SEM được trình bày trong hình 1.9. Kết quả cho thấy, kích thước hạt trung bình của hợp kim Co80Zr18B2 là nhỏ hơn nhiều so với các hợp kim khác. Đồng thời, sự phân bố kích thước hạt của hợp kim Co80Zr18B2 là nhỏ 9
nhất trong ba hợp kim trên. Điều này cho thấy sự thay thế một lượng nhỏ của B cho Zr trong hợp kim Co80Zr20 có hiệu quả cao trong việc tạo ra các hạt đồng nhất. Hình 1.9. Phân bố kích thước hạt và kích thước hạt trung bình (Dave) đo từ ảnh hiển vi SEM của các băng Co80Zr20-xBx (x = 0 - 4) [27]. Nghiên cứu vi cấu trúc trong hợp kim Co80Zr18B2 hơn nữa được thực hiện bởi phương pháp đo TEM. Mô hình nhiễu xạ vùng lựa chọn (SAD 1.10. Hình 1.10. Mô hình SAD của băng Co80Zr18B2 [27]. Các đỉnh nhiễu xạ được lập chỉ số cho pha CoxZr. Mặc dù không có nhiệt độ Curie rõ ràng của pha Co23Zr6 được tìm thấy trong các đường cong từ nhiệt của hợp kim Co80Zr18B2, nhưng ở đây đã tìm thấy trong mẫu còn chứa một số pha Co23Zr6 cùng với các pha CoxZr và Co. Hình 1.11 là ảnh TEM trường sáng và trường tối của hợp kim Co80Zr18B2. Các vòng tròn nhiễu xạ mạnh như hình 1.11 (a) hay các đốm trắng như hình 1.11 (b) 10
là của pha CoxZr. Các nghiên cứu TEM cho thấy đường kính các hạt CoxZr cỡ khoảng 200 nm. Hình 1.11. Ảnh TEM của băng Co80Zr18B2: (a) trường sáng và (b) trường tối [27]. Nghiên cứu chi tiết vi cấu trúc được thực hiện bởi STEM. Hình 1.12 cho thấy các hạt được bao quanh bởi các ranh giới hạt giàu Co. Hình 1.12. Ảnh HAADF-STEM của băng hợp kim Co80Zr18B2 [27]. Các mẫu đã được tìm thấy bao gồm chủ yếu của pha CoxZr cùng với một lượng nhỏ của các pha Co23Zr6 và Co. Như vậy, các hạt tương ứng với các pha CoxZr và các ranh giới hạt giàu Co tương ứng với các pha Co. Sự tồn tại của số lượng nhỏ pha Co23Zr6 đã không được phát hiện trong các nghiên cứu STEM, do sự khác biệt về thành phần giữa các pha CoxZr và pha Co23Zr6. Các kết quả STEM của mẫu băng Co80Zr18B2 là một nam châm nanocomposite trong đó các hạt pha từ 11
cứng CoxZr có đường kính khoảng 200 nm, được bao quanh bởi các pha từ mềm Co. 1.2. Cấu trúc và tính chất từ của hệ hợp kim Co-Zr-B có pha tạp 1.2.1. Hệ hợp kim Co80Zr18-xMxB2 (x = 0 - 2) M = C, Cu, Ga, Al và Si Ảnh hưởng của sự bổ sung nguyên tố M (M = C, Cu, Ga, Al và Si) cho Zr trong tính chất từ, phát triển pha và vi cấu trúc của băng hợp kim Co80Zr17M1B2 được H.W. Chang và cộng sự nghiên cứu [14], tính chất từ của chúng được liệt kê trong bảng 1.2. Bảng 1.2. Độ từ hóa ở từ trường ứng dụng 12 kOe, σ12 kOe, độ từ dư σr, lực kháng từ i Hc , tích năng lượng (BH)max và TC của pha 5:1 của băng hợp kim Co80Zr17MB2 (M = C, Cu, Ga, Al và Si) phun ở Vs = 40 m/s và đo ở 25oC. M σ12 koe σr i Hc (BH)max Tc (emu/g) (emu/g) (kOe) (MGOe) (oC) Không pha 63 49 4,1 5,0 491 C 77 58 2,4 2,8 482 Cu 62 48 2,8 3,0 459 Ga 62 48 3,3 3,8 452 Al 63 48 3,5 41 450 Si 64 51 4,5 5,3 458 Rõ ràng, tất cả nghiên cứu về băng Co80Zr17MB2 đều có hiệu suất từ vĩnh cửu tốt. Đối với băng hợp kim tam nguyên Co80Zr18B2, tính chất từ đã đạt được là σ12 kOe = 63 emu/g, σr = 49 emu/g, iHc = 4,1 kOe và (BH)max = 5,0 MGOe. Tính chất từ của băng Co80Zr18B2 đã thay đổi khi thay thế các nguyên tố khác nhau. Với sự thay thế của Cu, Ga và Al cho Zr, từ hóa ở từ trường 12 kOe, σ12 kOe và độ từ dư σr giảm nhẹ tương ứng đến 62 emu/g - 63 emu/g và 48 emu/g và iHc đã giảm đến 2,8 kOe - 3,5 kOe, kết quả là (BH)max giảm đến 3,0 MGOe - 4,1 MGOe. Điều đáng chú ý, khi thay thế Si cho Zr có thể cải thiện nâng cao σ12 kOe, σr, iHc và tích năng lượng từ cực đại (BH)max của băng trên cùng một lúc. Trong băng Co80Zr17Si1B2 tính chất từ đạt được là σr = 51 emu/g, Br = 5,2 kG, iHc = 4,5 kOe và (BH)max = 5,3 MGOe. 12
Hình 1.13 là phổ nhiễu xạ tia X của băng hợp kim Co80Zr17MB2. Kết quả cho thấy hai pha từ mềm, cụ thể là fcc-Co và Co23Zr6 cùng tồn tại với pha cứng Co5Zr trong băng hợp kim Co80Zr17M1B2 khi không có M và với M = Cu, Ga, Al và Si. Với M = C, ngoài những pha trên, một pha yếu đã xuất hiện và bên cạnh đó, cường độ đỉnh nhiễu xạ của pha fcc-Co và Co23Zr6 được tăng cường, gián tiếp làm tăng số lượng của pha fcc-Co và Co23Zr6 với sự thay thế C. Mối quan hệ mạnh mẽ giữa Zr và C [7] có thể tạo điều kiện cho sự hình thành của pha ZrC trong băng hợp kim Co80Zr17MB2 với sự bổ sung C. Theo đó, σ12 kOe và σr được nâng cao, nhưng iHC lại giảm với sự thay thế C. Hình 1.14. Ảnh TEM của mẫu băng (a) Hình 1.13. Phổ XRD của mẫu Co80Zr18B2, (b) Co80Zr17CB2, (c) băng Co80Zr17MB2 [14]. Co80Zr17SiB2 và (d) Co80Zr18Si2B2 [14]. Hình 1.14 (a), (b) và (c) là ảnh TEM tương ứng của băng hợp kim Co80Zr18B2, Co80Zr17CB2 và Co80Zr17SiB2. Rõ ràng, sự thay thế của Si cho Zr là hữu ích trong việc làm giảm kích thước hạt đến 10nm - 30 nm, nhưng sự thay thế C làm thô kích thước hạt tới 30nm - 80 nm. Hơn nữa, một số kết tủa kích thước khoảng 10nm - 15 nm xuất hiện trong băng hợp kim Co80Zr17CB2. Phân tích tia X phân tán năng lượng (EDX), cho thấy rằng chúng là kết tủa của Co, phù hợp với phân tích XRD như thể hiện trong hình 1.13. Nguyên tố Si là nguyên tố ảnh hưởng nhiều nhất đến sự cải thiện của lực kháng từ và tích năng lượng của băng hợp kim Co80Zr18B2. Vì vậy, ảnh hưởng của nồng độ Si đến tính chất từ của băng hợp kim Co80Zr18-xSixB2 cũng được nghiên 13
cứu chi tiết. Hình 1.15 là đường cong khử từ của băng Co80Zr18-xSixB2, tính chất từ của chúng được tóm tắt trong bảng 1.3. Bảng 1.3. Tính chất từ của mẫu băng Co80Zr18-xSixB2 [14]. X σ12 koe σr i Hc (BH)max (emu/g) (emu/g) (kOe) (MGOe) 0 63 49 4,1 5,0 0,5 63 49 4,3 5,1 1 64 51 4,5 5,3 1,5 65 50 3,6 4,7 2 65 48 3,1 4,3 Với sự tăng nồng độ Si, σ12 kOe và σr tăng nhẹ từ 63 emu/g - 65 emu/g và từ 49 emu/g - 51 emu/g. Lực kháng từ iHC và tích năng lượng (BH)max tăng tương ứng từ 4,1 kOe và 5,0 MGOe (với x = 0) đến 4,5 kOe và 5,3 MGOe với x = 1, sau đó chúng giảm đến 3,1 kOe và 4,3 MGOe (với x = 2). Trong nghiên cứu này, băng hợp kim Co80Zr17Si1B2 đạt được tính chất từ tối ưu là σr = 51 emu/g, Br = 5,2 kG, iHc = 4,5 kOe và (BH)max = 5,3 MGOe. Hình 1.15. Đường cong khử từ của Hình 1.16. Phổ XRD của mẫu mẫu băng Co80Zr18-xSixB2 [14]. Co80Zr18-xSixB2 [14]. 14