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

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:61

Thêm vào BST

Báo xấu

43
lượt xem 8
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Việc phát minh ra NCVC chứa đất hiếm có phẩm chất từ tốt đã mang lại bước đột phá rất lớn cho ngành VLTC và trong lĩnh vực ứng dụng. Hiện nay, đất hiếm ngày càng cạn kiệt và tình trạng ô nhiễm môi trường do khai thác đất hiếm đáng báo động như hiện nay thì giá thành để chế tạo ra loại nam châm đất hiếm này ngày càng đắt đỏ. Đề tài nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian nghiền lên tính chất từ của vật liệu từ cứng Mn-B

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Khóa luận tốt nghiệp: Ảnh hưởng của thời gian nghiền lên tính chất từ của vật liệu từ cứng Mn-Bi

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 KHOA VẬT LÝ ---------- PHÙNG THỊ HIỀN ẢNH HƯỞNG CỦA THỜI GIAN NGHIỀN LÊN TÍNH CHẤT TỪ CỦA VẬT LIỆU TỪ CỨNG Mn-Bi KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HÀ NỘI, 2018
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 KHOA VẬT LÝ ---------- PHÙNG THỊ HIỀN ẢNH HƯỞNG CỦA THỜI GIAN NGHIỀN LÊN TÍNH CHẤT TỪ CỦA VẬT LIỆU TỪ CỨNG Mn-Bi Chuyên ngành: Vật lý chất rắn KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Người hướng dẫn khoa học Th.S GVC NGUYỄN MẪU LÂM HÀ NỘI, 2018
LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên cho phép tôi gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc tới ThS Nguyễn Mẫu Lâm trong thời gian qua đã giúp đỡ, chỉ bảo tận tình, truyền đạt kiến thức và kinh nghiệm quý báu cho tôi trong quá trình tôi làm nghiên cứu. Tôi xin cảm ơn toàn thể các Thầy, Cô của Trường ĐHSP Hà Nội 2 nói chung và toàn thể các Thầy, Cô trong Khoa Vật lý nói riêng đã trang bị cho tôi những tri thức khoa học và tạo điều kiện cho tôi trong thời gian học tập tại trường. Tôi xin chân thành cảm ơn 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 vật liệu và sự tài trợ của đề tài Khoa học cấp cơ sở Trường đại học sư phạm Hà Nội 2. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới gia đình, bạn bè đã luôn bên cạnh, giúp đỡ, động viên về vật chất và tinh thần để tôi hoàn thành được khóa luận một cách tốt nhất. Tôi xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, Ngày tháng 05 năm 2018 Sinh viên Phùng Thị Hiền
LỜI CAM ĐOAN Đề tài nghiên cứu: “Ảnh hưởng của thời gian nghiền lên tính chất từ của vật liệu từ cứng Mn-Bi” đã đạt được các kết quả và số liệu trên là do tôi nghiên cứu dưới sự hướng dẫn của ThS. GVC Nguyễn Mẫu Lâm. Tôi xin cam đoan kết quả trên là trung thực, không trùng với các kết quả nghiên cứu của các tác giả khác. Nếu sai tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm. Hà Nội, Ngày tháng 05 năm 2018 Sinh viên Phùng Thị Hiền
MỤC LỤC MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1 1. Lí do chọn đề tài. ........................................................................................... 1 2. Mục đích nghiên cứu. .................................................................................... 2 3. Giả thuyết khoa học. ..................................................................................... 2 4. Nhiệm vụ nghiên cứu. ................................................................................... 2 5. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu................................................................. 3 6. Phương pháp nghiên cứu............................................................................... 3 7. Cấu trúc khóa luận. ....................................................................................... 3 CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU TỪ CỨNG................................. 5 1.1. Lịch sử phát triển của vật liệu từ cứng. ...................................................... 5 1.1.1. Lịch sử phát triển vật liệu từ cứng. ......................................................... 5 1.1.2. Ứng dụng và nhu cầu của vật liệu từ cứng. ............................................ 9 1.2. Vật liệu từ cứng Mn-Bi. ........................................................................... 10 1.2.1. Cấu trúc tinh thể. ................................................................................... 10 1.2.2. Giản đồ pha của hợp kim Mn-Bi........................................................... 12 1.2.3. Tính chất từ. .......................................................................................... 13 1.2.4. Phương pháp chế tạo. ............................................................................ 20 CHƯƠNG 2: KĨ THUẬT THỰC NGHIỆM .................................................. 21 2.1. Quy trình chế tạo mẫu. ............................................................................. 21 2.2. Thiết bị chế tạo mẫu. ................................................................................ 22 2.2.1. Phương pháp nấu hồ quang. .................................................................. 22 2.2.2. Phương pháp phun băng nguội nhanh................................................... 24 2.2.3. Box khí. ................................................................................................. 26 2.2.5. Ép viên................................................................................................... 30 2.2.6. Xử lí nhiệt.............................................................................................. 31 2.3. Các phương pháp khảo sát cấu trúc. ........................................................ 32
2.3.1. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM). ............................................ 32 2.3.2. Phương pháp nhiễu xạ tia X. ................................................................. 33 2.4. Các phép đo nghiên cứu tính chất từ........................................................ 35 2.4.1. Các phép đo từ nhiệt trên hệ từ kế mẫu rung (VSM)............................ 35 2.4.2. Phép đo từ trễ trên hệ từ trường xung (PFM). ...................................... 36 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN. ................................................. 39 2.1. Cấu trúc và tính chất từ của mẫu băng. .................................................... 39 3.2. Cấu trúc và tính chất từ của bột nghiền. .................................................. 41 3.3. Ảnh hưởng của xử lí nhiệt lên cấu trúc và tính chất từ của mẫu bột. ...... 44 KẾT LUẬN ..................................................................................................... 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 49
DANH MỤC VIẾT TẮT NCVC: Nam châm vĩnh cửu. VLTC: Vật liệu từ cứng.
DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Sự phát triển của nam châm vĩnh cửu trong thế kỉ 20 . .................... 5 Hình 1.2. Ảnh minh họa ứng dụng của VLTC.................................................. 9 Hình 1.3. Cấu trúc tinh thể của hợp kim Mn-Bi . ........................................... 11 Hình 1.4. Giản đồ pha của hợp kim MnBi ...................................................... 13 Hình 1.5. Sự phụ thuộc nhiệt độ cuả mômen từ Mn và góc giữa mômen từ và trục c của hợp kim MnBi ................................................................................ 15 Hình 1.6. Sự phụ thuộc của từ độ vuông góc với trục c vào nhiệt độ của hợp kim MnBi ........................................................................................................ 16 Hình 1.7. Đường cong từ trễ của nam châm Mn-Bi với các nhiệt độ khác nhau ......................................................................................................................... 17 Hình 1.8. Sự phụ thuộc của lực kháng từ Hc vào nhiệt độ của hợp kim Mn-Bi ......................................................................................................................... 18 Hình 1.9. Đường cong trao đổi năng lượng Bathe – Slater. ........................... 19 Hình 2.1. Sơ đồ chế tạo mẫu ........................................................................... 21 Hình 2.2. Sơ đồ khối của hệ nấu mẫu hồ quang ............................................. 22 Hình 2.3. Hệ nấu hợp kim hồ quang ............................................................... 23 Hình 2.4. Sơ đồ khối của hệ phun băng nguội nhanh đơn trục....................... 25 Hình 2.5. Thiết bị phun băng nguội nhanh ZKG - 1 ....................................... 26 Hình 2.6. Sơ đồ khối của BOX khí Ar ............................................................ 27 Hình 2.7. Ảnh thực của BOX khí Ar. ............................................................. 27 Hình 2.8. Máy nghiền cơ SPEX - 8000D (a) cối và bi nghiền (b).................. 28 Hình 2.9. Cấu tạo chi tiết máy nghiền SPEX - 8000D . ................................. 29 Hình 2.10. Hệ ép mẫu bột thành khối. ............................................................ 31 Hình 2.11. Lò nung Lindberg Blue M ............................................................ 31 Hình 2.12. Kính hiển vi điện tử quét HITACHI S - 4800 .............................. 33
Hình 2.13: Mô hình hình học của hiện tượng nhiễu xạ tia X. ........................ 34 Hình 2.14. Thiết bị D8 Advance Bruker ......................................................... 35 Hình 2.15: Hệ đo từ kế mẫu rung (VSM). ...................................................... 36 Hình 2.16: Sơ đồ nguyên lý của hệ đo từ trường xung. .................................. 37 Hình 2.17: Hệ đo từ trường xung. ................................................................... 38 Hình 3.1. Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu băng Mn50Bi50 ............................ 39 Hình 3.2. Đường cong từ trễ của mẫu băng Mn50Bi50. ................................... 40 Hình 3.3: Ảnh SEM của mẫu bột Mn50Bi50 với thời gian nghiền khác nhau .. 41 Hình 3.4: Phổ nhiễu xạ tia X của mẫu bột Mn50Bi50 với các thời gian nghiền khác nhau......................................................................................................... 42 Hình 3.5: Đường cong từ trễ của mẫu bột Mn50Bi50 với thời gian nghiền khác nhau. ................................................................................................................ 43 Hình 3.6: Phổ nhiễu xạ tia X của mẫu bột Mn50Bi50 với các thời gian nghiền khác nhau và được ủ ở các nhiệt độ khác nhau trong 2 h. ............................ 444 Hình 3.7: Đường cong từ trễ của mẫu bột Mn50Bi50 với thời gian nghiền 1 h được ủ ở các nhiệt độ khác nhau trong 2 h. .................................................... 44 Hình 3.8: Đường cong từ trễ của mẫu nghiền 1 h được ủ ở 280oC với thời gian ủ nhiệt khác nhau............................................................................................. 45 Hình 3.9: Đường cong từ trễ của mẫu Mn50Bi50 nghiền với thời gian khác nhau, được ủ ở nhiệt độ a) 260oC, b) 280oC và 300oC trong thời gian 2 giờ. ......... 46
DANH MỤC BẢNG Bảng 1. Thông số cấu trúc tinh thể và mômen từ của Mn-Bi (LTP) từ 10K – 700K ................................................................................................................ 14
MỞ ĐẦU 1. Lí do chọn đề tài. Vật liệu từ cứng (VLTC) được phát hiện và sử dụng từ rất sớm bởi người Trung Quốc và Hy Lạp cổ đại. Ở thời đó, VLTC được tìm ra dưới dạng oxit sắt hay còn gọi là đá nam châm. VLTC cùng với các sản phẩm ứng dụng của nó thường được gọi là nam châm vĩnh cửu (NCVC). Cho đến nay, VLTC giữ một vai trò quan trọng và được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau của đời sống xã hội và kĩ thuật như: thiết bị âm thanh, ổ cứng máy tính, điện thoại, các loại động cơ điện, máy phát điện, cảm biến và trong y học (MRI), quân sự… với khả năng tích trữ năng lượng của từ trường tác dụng lên nó và trở thành nguồn phát từ trường. Do nhu cầu sử dụng những ứng dụng của VLTC ngày càng nhiều nên đã thúc đẩy con người nghiên cứu, tìm kiếm vật liệu mới và công nghệ mới nhằm tạo ra những VLTC có phẩm chất từ tốt đang được mở rộng. Việc phát minh ra NCVC chứa đất hiếm có phẩm chất từ tốt đã mang lại bước đột phá rất lớn cho ngành VLTC và trong lĩnh vực ứng dụng. Hiện nay, đất hiếm ngày càng cạn kiệt và tình trạng ô nhiễm môi trường do khai thác đất hiếm đáng báo động như hiện nay thì giá thành để chế tạo ra loại nam châm đất hiếm này ngày càng đắt đỏ. Mặt khác, hầu hết các ứng dụng VLTC sử dụng trong ngành công nghệ cao hiện nay phụ thuộc vào NCVC chứa đất hiếm. Tuy nhiên, các nam châm đất hiếm đều có giá thành cao, độ bền kém (do các nguyên tố đất hiếm có tính oxi hóa rất cao). Để giải quyết vấn đề này, các quốc gia công nghiệp phát triển đã đầu tư, thúc đẩy cho các nhà khoa học nghiên cứu nhằm tìm ra các hệ VLTC mới chứa ít hoặc không chứa đất hiếm nhằm hạ giá thành sản phẩm và không bị phụ thuộc vào nguồn cung cấp 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 Mangan (Mn) như: Mn-Ga-Al, Mn- 1
Ga, Mn-Al, Mn-Bi. Một trong những loại VLTC đang thu hút được sự chú ý đó là VLTC Mn-Bi, cấu trúc và tính chất từ đã được nghiên cứu trong những năm gần đây do giá thành của hợp kim Mn-Bi rẻ, nguyên vật liệt sẵn có trong tự nhiên và không chứa nguyên tố đất hiếm. Hệ vật liệu từ cứng Mn-Bi kết tinh ở hai pha: pha nhiệt độ thấp (LTP) và pha nhiệt độ cao (HTP). Tính chất từ của hệ này được nghiên cứu ở pha nhiệt độ thấp còn tính chất quang từ nghiên cứu ở pha nhiêt độ cao. Hệ vật liệu Mn-Bi ở pha nhiệt độ cao có từ độ bão hòa thấp cỡ 80 emu/g, lực kháng từ cỡ 20 kOe, tích năng lượng cực đại cỡ (BH)Max=17.7 MGOe. Bên cạnh đó hệ vật liệu này còn có những đặc điểm nổi trội với các hệ từ cứng khác là trong vùng nhiệt độ từ 150K- 550K lực kháng từ tăng theo nhiệt độ điều này cho thấy hệ vật liệu từ cứng Mn-Bi có thể hoạt động được trong môi trường có nhiệt độ cao. Ở nhiệt độ phòng thì hệ Mn-Bi có giá trị từ độ đủ cao nên hệ có khả năng ứng dụng để làm nam châm vĩnh cửu và nam châm nanocomposite. Do đó hệ VLTC Mn-Bi hứa hẹn tiềm năng ứng dụng trong thực tế. Cùng với sự hỗ trợ của Phòng chuyên đề vật lí 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 lí vật liệu từ và Siêu dẫn của Viện Khoa học vật liệu; và sự tài trợ của đề tài Khoa học cấp cơ sở Trường đại học sư phạm Hà Nội 2. Vì những lí do trên nên chúng tôi lựa chọn đề tài: “Ảnh hưởng của thời gian nghiền lên tính chất từ của vật liệu từ cứng Mn-Bi”. 2. Mục đích nghiên cứu. Ảnh hưởng của thời gian nghiền lên tính chất từ của vật liệu từ cứng Mn-Bi. 3. Giả thuyết khoa học. Vật liệu từ cứng Mn-Bi có tính chất từ tốt được chế tạo bằng phương pháp nghiền cơ năng lượng cao. 4. Nhiệm vụ nghiên cứu. 2
- Tìm hiểu vật liệu từ cứng Mn-Bi: lí thuyết về cấu trúc và tính chất từ của hệ hợp kim Mn-Bi. - Nghiên cứu quy trình công nghệ chế tạo hợp kim Mn-Bi bằng phương pháp nghiền cơ năng lượng cao và xử lí nhiệt. - Khảo sát cấu trúc mẫu. - Khảo sát tính chất từ của mẫu. 5. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu. - Đối tượng: vật liệu từ cứng Mn-Bi. - Phạm vi nghiên cứu: + Khảo sát ảnh hưởng của thời gian nghiền lên tính chất từ của VLTC Mn-Bi. + Khảo sát cấu trúc mẫu trên hệ đo: Hiển vi điện tử quét (SEM) và hệ đo nhiễu xạ tia X (XRD). + Khảo sát các tính chất từ của mẫu trên các hệ đo: + Hệ đo từ kế mẫu rung (VSM). + Hệ đo từ trường xung (PFM). 6. Phương pháp nghiên cứu. - Vật liệu từ cứng Mn-Bi được chế tạo bằng phương pháp thực nghiệm: + Chế tạo mẫu khối bằng phương pháp nấu hồ quang. + Chế tạo hợp kim bột bằng phương pháp nghiền cơ năng lượng cao. - Phương pháp khảo sát cấu trúc và tính chất từ của mẫu: + Sử dụng phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) và phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) để tìm hiểu cấu trúc, kích thước hạt của mẫu. + Sử dụng phép đo từ nhiệt trên hệ đo từ kế mẫu rung (VSM) và phép đo từ trễ trên hệ từ trường xung (PFM). 7. Cấu trúc khóa luận. Ngoài phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo thì luận văn được trình bày theo 3 chương sau: 3
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU TỪ CỨNG 1.1. Lịch sử phát triển vật liệu từ cứng. 1.2. Vật liệu từ cứng Mn-Bi. CHƯƠNG II: KĨ THUẬT THỰC NGHIỆM 2.1. Quy trình chế tạo mẫu 2.2. Thiết bị chế tạo mẫu 2.3. Các phương pháp khảo sát cấu trúc 2.4. Các phép đo nghiên cứu tính chất từ 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 tính chất từ của mẫu bột. KẾT LUẬN TÀI LIỆU THAM KHẢO 4
CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU TỪ CỨNG. 1.1. Lịch sử phát triển của vật liệu từ cứng. 1.1.1. 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 1.1. Hình 1.1. Sự phát triển của nam châm vĩnh cửu trong thế kỉ 20 [1]. Từ hình 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. 1.1.2. 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. Hình 1.2. 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. Vì vậy để đáp ứng được nhu cầu sử dụng rất lớn của thị trường, các nhà khoa học đã tìm kiếm và tập trung nghiên cứu chế tạo các vật liệu từ cứng chứa ít hoặc không chứa đất hiếm nhằm hạ giá thành sản phẩm. 1.2. Vật liệu từ cứng Mn-Bi. 1.2.1. Cấu trúc tinh thể. Hợp kim Mn-Bi là một hợp chất liên kết sắt từ với cấu trúc NiAs (kiểu lục giác), thuộc nhóm không gian P63/mmc. Các tham số đặc trưng của ô cơ sở là a = b = 4,2827Å và c = 6,1103Å, hai trục tạo với nhau một góc 1200 và trục thứ 10