Khóa luận tốt nghiệp: Ảnh hưởng kích thước hạt pha từ cứng đến tính chất từ của vật liệu từ cứng nanocomposite Mn-Bi/Fe-Co cứng tổ hợp nano Mn-Bi/Fe-Co

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:54

Thêm vào BST

Báo xấu

31
lượt xem 9
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đề tài "Ảnh hưởng kích thước hạt pha từ cứng đến tính chất từ của vật liệu từ cứng nanocomposite Mn-Bi/Fe-Co cứng tổ hợp nano Mn-Bi/Fe-Co" đã khảo sát sự ảnh hưởng kích thước hạt pha từ cứng đến tính chất vật liệu từ cứng nanocoposite Mn-Bi/Fe-Co.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Khóa luận tốt nghiệp: Ảnh hưởng kích thước hạt pha từ cứng đến tính chất từ của vật liệu từ cứng nanocomposite Mn-Bi/Fe-Co cứng tổ hợp nano Mn-Bi/Fe-Co

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
MỤC LỤC 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
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. 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 = Ms2/4 vào khoảng 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: (BH)max  Js2/40 (1.2) 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/20 = Ms/2. Do đó, về nguyên tắc, giới hạn (1.2) chỉ có thể đạt đƣợc đối với những vật liệu có hệ số dị hƣớng từ tinh thể K lớn, cụ thể K >> J s 2 /4 0 . Thông thƣờng, tính chất từ của vật liệu đƣợc đánh giá qua tỷ số  = K/ (J s 2 /40 ). Nếu  >> 1 thì tính chất từ của vật liệu bị chi phối bởi dị hƣớng từ tinh thể K, các vật liệu này gọi là vật liệu từ cứng (vật liệu k). Ngƣợc lại, nếu 