Khóa luận tốt nghiệp: Chế tạo vật liệu từ cứng Mn-Ga-Al bằng phương pháp nguội nhanh

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:44

Thêm vào BST

Báo xấu

29
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là chế tạo được vật liệu từ cứng không chứa đất hiếm Mn-Ga-Al có tính chất từ cứng tốt, có thể ứng dụng trong thực tế. Đây là một tài liệu hữu ích dành cho các bạn sinh viên các nhành Vật lý, khoa học vật liệu và những ai quan tâm dùng làm tài liệu tham khảo.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Khóa luận tốt nghiệp: Chế tạo vật liệu từ cứng Mn-Ga-Al bằng phương pháp nguội nhanh

TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2 KHOA VẬT LÝ NGUYỄN THỊ BÍCH HẰNG CHẾ TẠO VẬT LIỆU TỪ CỨNG Mn-Ga-Al BẰNG PHƢƠNG PHÁP NGUỘI NHANH KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HÀ NỘI, 2017
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2 KHOA VẬT LÝ NGUYỄN THỊ BÍCH HẰNG CHẾ TẠO VẬT LIỆU TỪ CỨNG Mn-Ga-Al BẰNG PHƢƠNG PHÁP NGUỘI NHANH Chuyên ngành: Vật lý chất rắn KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: ThS. Nguyễn Mẫu Lâm HÀ NỘI, 2017
LỜI CẢM ƠN Trƣớc hết, tôi xin đƣợc bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất tới Ths. Nguyễn Mẫu Lâm, thầy đã hƣớng dẫn khoa học, chỉ bảo tận tình, chu đáo trong suốt quá trình nghiên cứu và thực hiện khóa luận. Tôi xin đƣợc chân thành cảm ơn PGS.TS. Nguyễn Huy Dân cùng toàn thể cán bộ nghiên cứu trong Phòng thí nghiệm Trọng điểm Vật liệu và Linh kiện Điện tử, Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã giúp đỡ hoàn toàn về kinh phí thực nghiệm. Để đạt đƣợc thành công trong học tập và hoàn thành khóa luận tốt nghiệp, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến các Thầy, Cô giáo trong Khoa Vật lý Trƣờng Đại học Sƣ phạm Hà Nội 2 đã trang bị kiến thức khoa học và tạo môi trƣờng học tập thuận lợi cho tôi trong suốt thời gian qua. Tôi xin đƣợc bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Bố, Mẹ, những ngƣời thân trong gia đình và bạn bè đã động viên, khích lệ, tạo điều kiện tốt nhất để tôi chuyên tâm việc học tập và nghiên cứu khoa học. Xin chân trọng cảm ơn! Hà Nội, tháng 4 năm 2017 Sinh viên Nguyễn Thị Bích Hằng
LỜI CAM ĐOAN Các kết quả và số liệu nêu trong khóa luận này là do tôi nghiên cứu dƣới sự hƣớng dẫn của Ths. Nguyễn Mẫu Lâm. Tôi xin cam đoan kết quả của khóa luận là trung thực và không trùng với bất cứ công trình nghiên cứu nào khác đã công bố. Tôi xin cam đoan những điều trên đây là đúng sự thật, nếu sai tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm. Hà Nội, tháng 4 năm 2017 Sinh viên Nguyễn Thị Bích Hằng
MỤC LỤC MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1 1. Lý do chọn đề tài ........................................................................................ 1 2. Mục đích nghiên cứu.................................................................................. 2 3. Giả thuyết khoa học ................................................................................... 2 4. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ............................................................. 2 5. Nhiệm vụ nghiên cứu ................................................................................. 3 6. Phƣơng pháp nghiên cứu ........................................................................... 3 7. Cấu trúc khóa luận ..................................................................................... 3 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU TỪ CỨNG ................................ 4 1.1. Lịch sử phát triển vật liệu từ cứng .......................................................... 4 1.2. Một số hệ vật liệu từ cứng không chứa đất hiếm.................................... 6 1.3. Hệ vật liệu từ cứng Mn-Ga-Al ................................................................ 9 1.3.1. Cấu trúc tinh thể Mn-Ga-Al .............................................................. 9 1.3.2. Giản đồ pha ....................................................................................... 9 1.3.3. Tính chất từ cứng của hệ Mn-Ga-Al............................................... 10 CHƢƠNG 2. KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM ................................................. 11 2.1. Các phƣơng pháp nguội nhanh ............................................................. 11 2.1.1. Phƣơng pháp nguội nhanh đơn trục ................................................ 12 2.1.2. Phƣơng pháp nguội nhanh hai trục ................................................. 12 2.1.3. Phƣơng pháp nguội nhanh ly tâm ................................................... 13 2.1.4. Chế tạo băng hợp kim bằng phƣơng pháp nguội nhanh ................. 14 2.2. Phƣơng pháp xử lý nhiệt ....................................................................... 17 2.3. Phƣơng pháp phân tích cấu trúc tinh thể .............................................. 18 2.4. Các phƣơng pháp nghiên cứu tính chất từ ............................................ 19 2.4.1. Hệ đo từ kế mẫu rung (VSM) ......................................................... 19
2.4.2. Hệ đo từ trƣờng xung (PFM) .......................................................... 21 CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .................................................. 23 3.1. Cấu trúc của băng hợp kim Mn65Ga20-xAl15+x ....................................... 23 3.2. Tính chất từ của băng hợp kim Mn65Ga20-xAl15+x ................................. 24 KẾT LUẬN ..................................................................................................... 28 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 29
DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Sự phát triển của nam châm vĩnh cửu trong thế kỷ 20 ..................... 4 Hình 1.2. Sự phụ thuộc lực kháng từ của băng Mn100-xGax vào quá trình ủ nhiệt................................................................................................ 7 Hình 1.3. Biểu diễn sự phụ thuộc của từ độ dƣ và lực kháng từ vào hàm lƣợng nhôm của Mn65Ga35-xAlx (x = 0-25) ....................................... 7 Hình 1.4. Các vòng trễ của (a) mẫu Mn65Ga35 và (b) mẫu Mn65Ga15Al20. ....... 8 Hình 1.5. Sự phụ thuộc của lực kháng từ trong các hợp kim Mn65Ga35- xCux (x = 0-20) ở các nhiệt độ khác nhau. ........................................ 8 Hình 1.6. Cấu trúc tinh thể của Mn-Ga-Al ....................................................... 9 Hình 1.7. Giản đồ pha của hệ hợp kim Mn-Ga ................................................. 9 Hình 2.1. Sơ đồ nguyên lý của hệ phun băng nguội nhanh đơn trục (a) Ảnh thực của trống đồng và cuộn dây cao tần (b) và hình ảnh một số mẫu băng thu đƣợc (c). ....................................................... 11 Hình 2.2. Sơ đồ nguyên lý thiết bị phun băng trống quay đôi ........................ 13 Hình 2.3. Phƣơng pháp nguội nhanh ly tâm ................................................... 14 Hình 2.4. Sơ đồ khối của hệ phun băng nguội nhanh đơn trục....................... 14 Hình 2.5. a) Thiết bị phun băng nguội nhanh ZKG-1: 1. Bơm hút chân không, 2. Buồng nấu, 3. Nguồn phát cao tần, b) Bên trong buồng tạo băng: 4. Trống quay, 5. Vòng cao tần, 6. Ống thạch anh. .................................................................................................. 15 Hình 2.6. Thiết bị ủ nhiệt Thermolyne............................................................ 17 Hình 2.7. Mô hình hình học của hiện tƣợng nhiễu xạ tia X............................ 18 Hình 2.8. Thiết bị khảo sát cấu trúc Siemen D-5000. ..................................... 19 Hình 2.9. Sơ đồ nguyên lý của hệ từ kế mẫu rung (VSM). ............................ 20 Hình 2.10. Sơ đồ nguyên lý của hệ đo từ trƣờng xung. .................................. 21 Hình 2.11. Hệ đo từ trƣờng xung. ................................................................... 22
Hình 3.1. Phổ nhiễu xạ tia X trƣớc ủ nhiệt (a) và sau ủ nhiệt (b) của băng Mn65Ga20-xAl15+x (x = 0 và 5). ......................................................... 23 Hình 3.2. Các đƣờng từ trễ của các băng Mn65Ga20-xAl15+x (x = 0 và 5) chƣa ủ nhiệt. .................................................................................... 24 Hình 3.3. Đƣờng cong từ trễ của băng Mn65Ga20-xAl15+x (x = 0, 5 và 10) ủ ở nhiệt độ khác nhau tại Ta = 550 (a), 600 (b), 650 (c), 700 (d) và 750 oC (e) trong khoảng thời gian ta = 1 giờ. ............................ 25 Hình 3.4. Sự phụ thuộc của từ độ bão hòa Ms và lực kháng từ Hc vào nhiệt độ ủ của băng Mn65Ga20-xAl15+x (x = 0, 5 và 10). .................. 26
MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Vật liệu từ cứng (VLTC) cùng với các sản phẩm ứng dụng của nó thƣờng đƣợc gọi là nam châm vĩnh cửu (NCVC) đã đƣợc biết đến từ rất sớm bởi ngƣời Trung Quốc và Hy Lạp cổ đại. Cho đến nay, VLTC vẫn đƣợc sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực từ các thiết bị quen thuộc không thể thiếu trong cuộc sống hàng ngày nhƣ: động cơ điện, máy phát điện… cho đến các thiết bị trong lĩnh vực kỹ thuật hiện đại nhƣ công nghệ thông tin, quân sự, khoa học, y tế… do có khả năng tích trữ năng lƣợng của từ trƣờng tác dụng lên nó và trở thành nguồn phát từ trƣờng. Do có tiềm năng ứng dụng lớn nên đã thúc đẩy sự nghiên cứu, tìm kiếm vật liệu mới và công nghệ chế tạo mới nhằm tạo ra những VLTC có phẩm chất tốt hơn để đáp ứng đƣợc nhu cầu của cuộc sống ngày càng phát triển. Việc nghiên cứu thành công NCVC chứa đất hiếm là bƣớc đột phá trong lịch sử phát triển của vật liệu từ cứng bởi tích năng lƣợng từ cực đại rất cao. Tuy nhiên, các nguyên tố đất hiếm dùng để chế tạo NCVC (Nd, Sm, Dy…) ngày càng khan hiếm và giá cả ngày càng tăng cao. Mặt khác, hầu hết các quặng đất hiếm đều chứa các nguyên tố phóng xạ, đặc biệt là Th và U. Trong quá trình tinh chế thì cũng cần đến một số axit độc hại. Điều đó không chỉ quan ngại với các nƣớc nhập khẩu mà với các nƣớc xuất khẩu cũng vậy. Đối với những quốc gia nhập khẩu đất hiếm thì phải đối mặt với việc mua đất hiếm với giá cả cao và phải phụ thuộc vào các quốc gia xuất khẩu, còn đối với các quốc gia xuất khẩu đất hiếm thì những lợi ích kinh tế từ việc bán đất cũng không thể bù đắp đƣợc những tổn hại về môi trƣờng và sức khỏe con ngƣời gây ra do việc khai thác đất hiếm. Chính vì thế, hiện nay hầu hết các nƣớc có nguồn nguyên liệu này đều không muốn khai thác nó, Trung Quốc là nƣớc chiếm tới 95% thị trƣờng đất hiếm trên thế giới; năm 2010 đã cắt giảm 40% 1
sản lƣợng và tuyên bố tiếp tục hạn chế xuất khẩu nguồn nguyên liệu này, làm cho giá đất hiếm tăng vọt và dẫn đến nguy cơ gây nên một cuộc khủng hoảng đất hiếm đối với nền công nghiệp thế giới. Để khắc phục điều này, các quốc gia công nghiệp phát triển đã đầu tƣ, thúc đẩy nghiên cứu và tìm kiếm các vật liệu thay thế đất hiếm. Không nằm ngoài xu hƣớng đó, các nhà khoa học đang nghiên cứu tìm kiếm phát triển những thế hệ nam châm mới có thể thay thế nam châm chứa đất hiếm hoặc giảm sự lệ thuộc vào các kim loại đất hiếm. Bên cạnh đó việc tìm kiếm công nghệ mới trong nghiên cứu và chế tạo NCVC sẽ là một xu hƣớng nghiên cứu của thế giới trong thời gian tới [1, 2, 4, 7, 8]. Một trong những loại VLTC không chứa đất hiếm đã thu hút đƣợc sự chú ý là VLTC Mn-Ga, cấu trúc và tính chất từ đã đƣợc nghiên cứu trong những năm gần đây [6-9]. Để cải thiện tính chất từ của hệ hợp kim Mn-Ga, các nhà khoa học đã thay thế một phần hoặc pha thêm một số nguyên tố vào hệ Mn-Ga. Hệ VLTC Mn-Ga có thể pha thêm một số nguyên tố để tăng phẩm chất từ nhƣ Al, Cu và Fe... Một số kết quả pha thêm các nguyên tố nhằm cải thiện tính chất từ đã đƣợc công bố [3, 7, 9]. Từ những lý do trên, chúng tôi lựa chọn đề tài: “Chế tạo vật liệu từ cứng Mn-Ga-Al bằng phƣơng pháp nguội nhanh”. 2. Mục đích nghiên cứu Chế tạo đƣợc vật liệu từ cứng không chứa đất hiếm Mn-Ga-Al có tính chất từ cứng tốt, có thể ứng dụng trong thực tế. 3. Giả thuyết khoa học Vật liệu từ cứng Mn-Ga-Al có tính chất từ tốt đƣợc chế tạo bằng phƣơng pháp nguội nhanh. 4. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu - Đối tƣợng: Vật liệu từ cứng Mn-Ga-Al. 2
- Phạm vi nghiên cứu: Công nghệ chế tạo vật liệu từ cứng Mn-Ga-Al bằng phƣơng pháp nguội nhanh. 5. Nhiệm vụ nghiên cứu - Lý thuyết về cấu trúc và tính chất từ của hệ Mn-Ga-Al. - Nghiên cứu quy trình công nghệ chế tạo hệ hợp kim Mn-Ga-Al bằng phƣơng pháp nguội nhanh và xử lý nhiệt. - Khảo sát cấu trúc: XRD. - Khảo sát tính chất từ: Hệ từ trƣờng xung PFM; Hệ từ kế mẫu rung VSM. 6. Phƣơng pháp nghiên cứu - Lý thuyết và thực nghiệm 7. Cấu trúc khóa luận Mở đầu Nội dung Chƣơng 1. Tổng quan về vật liệu từ cứng 1.1. Lịch sử phát triển vật liệu từ cứng 1.2. Một số hệ vật liệu từ cứng không chứa đất hiếm 1.3. Vật liệu từ Mn-Ga-Al Chƣơng 2. Kỹ thuật thực nghiệm 2.1. Các phƣơng pháp nguội nhanh 2.2. Phƣơng pháp xử lý nhiệt 2.3. Phƣơng pháp phân tích cấu trúc tinh thể 2.4. Các phƣơng pháp nghiên cứu tính chất từ Chƣơng 3. Kết quả và thảo luận Kết luận Tài liệu tham khảo 3
CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU TỪ CỨNG 1.1. Lịch sử phát triển vật liệu từ cứng Vật liệu từ cứng hay nam châm vĩnh cửu đã đƣợc phát hiện và sử dụng từ rất lâu, đầu tiên chỉ là loại quặng ôxit sắt Fe3O4 có trong tự nhiên với tên gọi “lode stone”. Sau khoảng thời gian dài, qua nhiều thế kỉ, đến năm 1740, nam châm vĩnh cửu đầu tiên đƣợc chế tạo với tích năng lƣợng cực đại khá thấp (BH)max = 1 MGOe, do đó, cần phải dùng một lƣợng lớn vật liệu mới tạo ra đƣợc nam châm có lực hút đủ mạnh. Do nhu cầu thiết yếu của nam châm vĩnh cửu, đòi hỏi các nhà khoa học tìm kiếm, nghiên cứu các vật liệu từ cứng 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. Sự phát triển của nam châm vĩnh cửu trong thế kỷ 20 4
Năm 1917, nam châm thép côban đƣợc phát minh ở Nhật, đến năm 1931 họ nam châm AlNiCo đƣợc Mishima (Nhật Bản) chế tạo và đƣợc sử dụng rộng rãi. Lúc đầu, (BH)max của nam châm AlNiCo cũng chỉ đạt cỡ 1 MGOe. Bằng cách thay đổi công nghệ chế tạo, (BH)max của vật liệu này dần đƣợc nâng cao. Đến năm 1956, hợp kim AlNiCo9 có (BH)max đã đạt tới 10 MGOe, nhờ có nhiệt độ Curie cao (850oC) và giá thành thấp nên hiện nay nam châm này vẫn đƣợc sử dụng rộng rãi. Vào những năm đầu thập niên 1950, vật liệu ferit từ cứng tổ hợp đƣợc khám phá bởi công ty Philip, Hà Lan, đây là vật liệu có cấu trúc lục giác với công thức hóa học là MFe12O19 (M là Ba, Sr, Pb hoặc tổ hợp của chúng). Tuy có (BH)max không lớn (~ 5 MGOe), nhƣng ngày nay nam châm này là vật liệu đƣợc sử dụng nhiều nhất, chiếm khoảng 50% tổng giá trị nam châm vĩnh cửu của toàn thế giới, do chúng có ƣu điểm là giá thành rất rẻ và bền. 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 cứu của Karl Strnat (đại học tổng hợp Dyton, Ohio, Mỹ) phát hiện ra hợp kim YCo5, đó 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 hƣớng từ tinh thể mạnh cho lực kháng từ Hc lớn. Vật liệu SmCo5 có khả năng chế tạo nam châm vĩnh cửu có năng lƣợng cao kỉ lục (30 MGOe), mở ra một trang mới về một họ vật liệu từ cứng vô cùng quan trọng, họ nam châm đất hiếm. Tuy nhiên, vào những năm 1970, Côban trở nên khá đắt đỏ, nguồn cung cấp nguyên liệu không ổn định, do đó, các nghiên cứu nhằm thay thế côban cũng nhƣ tìm ra vật liệu từ cứng mới đƣợc 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 vĩnh cửu có thành phần Nd8Fe77B5 có 5
(BH)max ~ 36.2 MGOe. Cũng năm đó, Croat và cộng sự ở công ty General Motors (Mỹ) bằng phƣơng pháp phun băng nguội nhanh đã chế tạo đƣợc nam châm vĩnh cửu có thành phần Nd2Fe14B có (BH)max ~ 14 MGOe. Đến nay bằng phƣơng pháp thiêu kết, một số phòng thí nghiệm trên thế giới đã chế tạo đƣợc vật liệu từ Nd2Fe14B có (BH)max ~ 57 MGOe. 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). Vật liệu từ cứng loại này đƣợc gọi là vật liệu nanocomposite, tuy (BH)max chƣa cao nhƣng vật liệu này chứa ít đất hiếm và công nghệ chế tạo đơn giản hơn, nên giá thành rẻ và tăng độ bền hóa học của vật liệu. Vật liệu từ cứng đƣợc tìm ra từ những thập kỉ 50-60, rất khó chế tạo, thƣờng đƣợc chế tạo trên các hệ hợp kim nền đất hiếm. Vào những năm gần đây, do khủng hoảng về đất hiếm nên các nhà khoa học tập trung vào hƣớng nghiên cứu chế tạo các vật liệu từ cứng chứa ít và không chứa đất hiếm nhằm đáp ứng ứng dụng và giảm giá thành của nam châm. Trong các hệ vật liệu từ cứng không chứa đất hiếm, hệ Mn-Ga hiện nay đang đƣợc nghiên cứu vì hệ vật liệu này có lực kháng từ cao cỡ 20 kOe, bên cạnh đó giá thành của hệ vật liệu này khá rẻ. 1.2. Một số hệ vật liệu từ cứng không chứa đất hiếm Năm 2012, Tetsuji Saito và cộng sự đã tiến hành sản xuất các hợp kim Mn100-xGax (x = 20-50) [8]. Các tính chất từ của băng nguội nhanh Mn-Ga phụ thuộc vào nguyên tố Ga và nhiệt độ ủ. Với mẫu băng Mn70Ga30 có Hc = 5.7 kOe khi ủ ở 973 K trong 1 giờ. 6
Hình 1.2. Sự phụ thuộc lực kháng từ của băng Mn100-xGax vào quá trình ủ nhiệt Năm 2015, Tetsuji Saito và cộng sự đã công bố hệ hợp kim từ cứng Mn65Ga35-xAlx [7]. Mẫu Mn65Ga35 bao gồm pha Mn3Ga kiểu D022 thể hiện lực kháng từ là 400 kA/m. Sự thay thế một phần Ga bằng Al trong mẫu Mn65Ga35 dẫn đến sự hình thành một pha mới với nhiệt độ Curie là 680 K. Pha khối này thể hiện lực kháng từ là 730 kA/m, cao hơn so với loại D022 của pha Mn3Ga. Hình 1.3. Biểu diễn sự phụ thuộc của từ độ dư và lực kháng từ vào hàm lượng nhôm của Mn65Ga35-xAlx (x = 0-25) 7
Hình 1.3 biểu diễn sự phụ thuộc của từ độ dƣ và lực kháng từ vào hàm lƣợng nhôm của Mn65Ga35-xAlx (x = 0-25). Lực kháng từ lớn nhất là 730 kA/m đã đạt đƣợc trong mẫu Mn65Ga15Al20. Việc thêm Al vào nam châm Mn- Ga làm thay đổi từ độ dƣ và lực kháng từ. Hình 1.4. Các vòng trễ của (a) mẫu Mn65Ga35 và (b) mẫu Mn65Ga15Al20. Các vòng trễ của các mẫu Mn65Ga35 và Mn65Ga15Al20 đƣợc biểu diễn trong hình 1.4. Mẫu Mn65Ga35 đƣa ra giá trị lớn nhất là 12.8 kJ/m3 với lực kháng từ là 348 kA/m, trong khi mẫu Mn65Ga15Al20 có giá trị lớn nhất là 2.0 kJ/m3 với lực kháng từ 730 kA/m. Năm 2016, Tetsuji Saito và và cộng sự đã công bố kết quả nghiên cứu về thay thế một phần Ga bởi các nguyên tố khác hình 1.5 [9]. Hình 1.5. Sự phụ thuộc của lực kháng từ trong các hợp kim Mn65Ga35-xCux (x = 0-20) ở các nhiệt độ khác nhau. 8
1.3. Hệ vật liệu từ cứng Mn-Ga-Al 1.3.1. Cấu trúc tinh thể Mn-Ga-Al Tinh thể Mn-Ga-Al tồn tại ở nhiều dạng cấu trúc hình 1.6. ` Hình 1.6. Cấu trúc tinh thể của Mn-Ga-Al a) D019, b) Tetragonal D022 với a ~ 390 pm, c ~ 715 pm (c) tetragonal L10 với cấu trúc 2 ô cơ sở có khoảng cách a ~ 390 pm, c ~ 360 pm. 1.3.2. Giản đồ pha Gần đây, nhóm nghiên cứu Nanofoundry, LLC, Glen Allen, VA đã đƣa ra giản đồ pha của hệ Mn-Ga (hình 1.7) [5]. Hình 1.7. Giản đồ pha của hệ hợp kim Mn-Ga 9
Tuy nhiên, nhóm tác giả đã cho thấy sự ổn định của pha Mn-Ga rất khó khăn trong điều kiện bình thƣờng. 1.3.3. Tính chất từ cứng của hệ Mn-Ga-Al Một hợp kim Mn-Ga với 20-40% Ga thƣờng bao gồm pha Mn3Ga loại D019 bởi vì nó khá ổn định và pha Mn3Ga loại D022 thời gian hình thành pha khá dài. Tuy nhiên với công nghệ hiện nay ngƣời ta đã xác định các điều kiện tối ƣu để thu đƣợc dễ dàng loại pha D022. Các pha đƣợc hình thành bằng cách ủ ở 973K [7]. 10
CHƢƠNG 2 KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM 2.1. Các phƣơng pháp nguội nhanh Phƣơng pháp phun băng nguội nhanh lần đầu tiên đƣợc thực hiện vào năm 1960 bởi nhóm của P. Duwez ở Viện Công nghệ Califonia (Caltech). Nhóm này đã chế tạo thành công một loạt các hợp kim vô định hình nhƣ AuSi, AgCu, AgG…Đây là kỹ thuật làm hóa rắn nhanh hợp kim nóng chảy. Lúc mới phát minh ngƣời ta dùng phƣơng pháp này với mục đích tạo ra dung dịch rắn giả bền cho kim loại, nghĩa là phải rắn nhanh và có dạng băng nên gọi là băng nguội nhanh. Công nghệ phun băng nguội nhanh (rapid cooling, melt-spinning) còn đƣợc gọi là phƣơng pháp làm lạnh nhanh hoặc tôi nhanh (rapid quenching) hình 2.1. a, Nguyên lý hệ phun b, Ảnh thực của trống c, Hình ảnh một số mẫu băng đơn trục đồng và cuộn dây cao tần băng thu được Hình 2.1. Sơ đồ nguyên lý của hệ phun băng nguội nhanh đơn trục (a) Ảnh thực của trống đồng và cuộn dây cao tần (b) và hình ảnh một số mẫu băng thu được (c). Phƣơng pháp này sử dụng năng lƣợng bên ngoài làm nóng chảy vật liệu (quá trình năng lƣợng hóa tạo ra trạng thái không bền cho vật liệu). Chính nguồn năng lƣợng đó làm thay đổi trạng thái của vật liệu từ rắn sang lỏng, sau 11
đó vật liệu đƣợc làm nguội nhanh để giữ cấu trúc của hợp kim hóa rắn giống nhƣ trạng thái của chất lỏng (trạng thái VĐH). Bằng cách đó các tính chất cơ, lý, hóa của vật liệu đƣợc tăng cƣờng rất nhiều so với vật liệu ban đầu. Nguyên tắc của phƣơng pháp phun băng nguội nhanh là làm lạnh hợp kim nóng chảy với tốc độ lớn hơn tốc độ làm nguội tới hạn. Để có thể thu nhiệt của vật liệu ngƣời ta dùng một trống quay có bề mặt nhẵn bóng, có khả năng thu nhiệt cao (thƣờng là làm bằng đồng), cho quay với tốc độ lớn làm môi trƣờng thu nhiệt của hợp kim nóng chảy. Hợp kim đƣợc làm nóng chảy trong một nồi nấu đặc biệt theo phƣơng pháp nỏng chảy cảm ứng bằng dòng điện cao tần. Có 3 loại thiết bị để thực hiện phƣơng pháp phun băng nguội nhanh là: thiết bị phun băng nguội nhanh trống quay đơn trục, thiết bị phun băng nguội nhanh trống quay hai trục và thiết bị phun băng nguội nhanh ly tâm. 2.1.1. Phƣơng pháp nguội nhanh đơn trục Phƣơng pháp nguội nhanh đơn trục là phƣơng pháp nguội nhanh trên một trống quay đƣợc quay với tốc độ cao (hình 2.1a). Hợp kim đƣợc phun trên bề mặt trống, nhờ bề mặt nhẵn bóng mà hợp kim đƣợc dàn mỏng và đƣợc thu nhiệt rất nhanh. Độ dày của băng hợp kim phụ thuộc vào các yếu tố là độ lớn của đƣờng kính vòi phun, áp suất khí đẩy khi phun băng, khoảng cách từ vòi phun đến mặt trống và tốc độ trống quay. Hình 2.1b là ảnh chụp dòng hợp kim nóng chảy trên mặt trống quay. Phƣơng pháp này dễ tiến hành và giá thành thấp nhƣng có nhƣợc điểm là dễ xảy ra sự sai khác về cấu trúc cũng nhƣ tính chất bề mặt ở cả hai phía của băng hợp kim, đồng thời tính lặp lại về chiều dày của băng hợp kim thƣờng không cao. 2.1.2. Phƣơng pháp nguội nhanh hai trục Phƣơng pháp nguội nhanh hai trục (hình 2.2) là phƣơng pháp sử dụng hai trống quay đặt tiếp xúc với nhau và quay ngƣợc chiều nhau. 12