Luận văn Thạc sĩ Vật lý: Nghiên cứu tính chất từ của hợp kim Fe50Co50 có kích thước nano mét tổng hợp bằng phương pháp hợp kim cơ

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:25

Thêm vào BST

Báo xấu

19
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của đề tài là là chế tạo thành công hệ hạt nano Fe50Co50 bằng phương pháp hợp kim cơ; tìm hiểu ảnh hưởng của thời gian nghiền và nhiệt độ ủ tới các đặc trưng cấu trúc, tính chất từ của hợp kim; biện luận thỏa đáng ảnh hưởng của ôxy hóa tới cấu trúc, tính chất từ và sự ổn định từ độ khi bảo quản ngoài không khí.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Vật lý: Nghiên cứu tính chất từ của hợp kim Fe50Co50 có kích thước nano mét tổng hợp bằng phương pháp hợp kim cơ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- NGUYỄN THỊ HÀ MY NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT TỪ CỦA HỢP KIM Fe50Co50 CÓ KÍCH THƢỚC NANO MÉT TỔNG HỢP BẰNG PHƢƠNG PHÁP HỢP KIM CƠ LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - 2014
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- NGUYỄN THỊ HÀ MY NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT TỪ CỦA HỢP KIM Fe50Co50 CÓ KÍCH THƢỚC NANO MÉT TỔNG HỢP BẰNG PHƢƠNG PHÁP HỢP KIM CƠ Chuyên ngành: Vật lý chất rắn Mã số: 60440104 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. ĐỖ HÙNG MẠNH Hà Nội - 2014
LỜI CẢM ƠN Trước tiên tôi xin dành lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất đến TS. Đỗ Hùng Mạnh - người Thầy hướng dẫn đã tận tình chỉ bảo và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn này. Tôi xin trân trọng cảm ơn Th.S Đỗ Khánh Tùng là người anh, người hướng dẫn dành nhiều thời gian giúp tôi tiếp cận với các thiết bị đo đạc và cách xử lý số liệu trong quá trình tôi thực hiện luận văn. Những chỉ dẫn, gợi ý của anh luôn là những bài học bổ ích rút ra từ thực tiễn làm việc. Anh cũng cung cấp cho tôi nhiều tài liệu cần thiết để hoàn thành tốt luận văn này. Tôi xin cảm ơn sự giúp đỡ tận tình của các thành viên thuộc phòng Vật lý Vật liệu từ và siêu dẫn, các anh chị trong Viện Khoa học vật liệu. Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến bạn bè và gia đình tôi - đặc biệt là người Mẹ thân yêu của tôi - nguồn động viên tình thần lớn lao, luôn bên cạnh ủng hộ tôi, động viên tôi, tiếp thêm cho tôi sức mạnh có đủ nghị lực và tinh thần vượt qua những khó khăn để hoàn thành tốt luận văn này. Hà Nội, ngày 22 tháng 9 năm 2014 Nguyễn Thị Hà My
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của TS. Đỗ Hùng Mạnh. Hầu hết các số liệu, kết quả trong luận văn được trích dẫn lại từ các bài báo sẽ được xuất bản của tôi và các cộng sự. Các số liệu, kết quả trong luận văn là trung thực chưa từng được ai công bố trong các công trình khoa học khác. Tác giả luận văn Nguyễn Thị Hà My MỤC LỤC
Lời cảm ơn Lời cam đoan Mục lục Các chữ viết tắt và các ký hiệu Danh mục các hình Danh mục các bảng MỞ ĐẦU 1 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 4 1.1. Giản đồ pha của Fe-Co 4 1.2. Các cấu trúc tinh thể của các pha Fe-Co 6 1.3. Các tính chất từ 7 1.3.1. Từ độ bão hòa 8 1.3.2. Lực kháng từ 8 1.3.3. Nhiệt độ Curie 9 1.3.4. Dị hướng từ 10 1.3.4.1. Dị hướng từ tinh thể 10 1.3.4.2. Dị hướng bề mặt 12 1.3.5. Đơn đômen 12 1.3.6. Siêu thuận từ 14 1.4. Tổng hợp vật liệu có kích thƣớc nano mét bằng phƣơng pháp hợp kim 15 cơ 1.4.1. Sơ lược về phương pháp hợp kim cơ 15 1.4.2. Nguyên lý của phương pháp hợp kim cơ 15 1.4.3. Thiết bị dùng trong phương pháp hợp kim cơ 16
1.4.4. Ứng dụng của hợp kim cơ 19 1.5. Các phƣơng pháp khác 20 CHƢƠNG 2: CÁC KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM 22 2.1. Tổng hợp vật liệu nano Fe-Co bằng phƣơng pháp hợp kim cơ 22 2.2. Nhiễu xạ tia X 25 2.2.1. Phân tích Rietveld 25 2.2.2. Xác định kích thước tinh thể và ứng suất mạng 25 2.3. Hiển vi điện tử quét (FESEM) 27 2.4. Phân tích thành phần bằng phổ tán sắc năng lƣợng tia X 28 2.5. Các phép đo từ 29 2.5.1. Từ kế mẫu rung 29 2.5.2. Hệ đo các tính chất vật lý 30 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 31 3.1. Lựa chọn các tham số nghiền tối ƣu 31 3.1.1. Tốc độ nghiền 31 3.1.2. Tỉ lệ trọng lượng bi:bột 32 3.2. Ảnh hƣởng của thời gian nghiền 34 3.2.1. Các đặc trưng cấu trúc 34 3.2.2. Hình thái và kích thước hạt 36 3.2.3. Các tính chất từ 38 3.2.4. Sự ổn định của mẫu 40 3.3. Ảnh hƣởng của nhiệt độ ủ 41 3.3.1. Các đặc trưng cấu trúc 42
3.3.2. Hình thái và kích thước hạt 43 3.3.3. Các tính chất từ 44 3.3.4. Sự ổn định của mẫu 50 KẾT LUẬN 52 Tài liệu tham khảo 56 Danh mục các công trình công bố 56 Danh mục các hình vẽ
STT Chú thích hình Trang 1 Hình 1.1. Giản đồ minh họa a) cấu trúc L10; b) cấu trúc trật tự L12 5 và c) pha bất trật tự A1 của hợp kim Fe-Pt. 2 Hình 1.2. Giản đồ pha của Fe-Co. 5 3 Hình 1.3. Sự thay đổi của từ độ bão hòa của hợp kim Fe-Co theo tỉ 6 lệ Co. 4 Hình 1.4. Các dạng cấu trúc tinh thể của Fe (bcc, fcc) và Co (hcp, 7 fcc). 5 Hình 1.5. Đường cong từ trễ của vật liệu từ mềm 7 6 Hình 1.6. Đường cong từ hóa ban đầu của sắt từ 9 7 Hình 1.7. Dị hướng từ tinh thể của Fe. 11 8 Hình 1.8. Dị hướng từ tinh thể của Co. 11 9 Hình 1.9. Sự sắp xếp spin bề mặt của các hạt sắt từ trong hai 12 trường hợp dị hướng bề mặt khác nhau K < 0 và K > 0. 10 Hình 1.10. Cấu trúc đômen trong hạt từ. 13 11 Hình 1.11. Các trạng thái của hỗn hợp bột ở hai pha ban đầu A và 15 B trong quá trình hợp kim cơ để tạo ra pha mới C. 12 Hình 1.12. (a) Máy nghiền hành tinh P6 và (b) sơ đồ nguyên lý 17 hoạt động của máy nghiền hành tinh. 13 Hình 1.13. (a) Một máy nghiền khuấy kiểu 1S và (b) máy nghiền 18 SPEX 8000D. 14 Hình 2.1. Quy trình chế tạo mẫu bằng phương pháp MA 23 15 Hình 2.2. Sơ đồ nguyên tắc để xử lý mẫu 23 16 Hình 2.3. Nhiễu xạ kế tia X D5000 tại VKHVL. 26
17 Hình 2.4. Các tín hiệu nhận được từ mẫu. 27 18 Hình 2.5. Toàn cảnh hệ kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường 28 Hitachi S-4800. 19 Hình 2.6. Từ kế mẫu rung. 29 20 Hình 2.7. Sơ đồ nguyên lý thiết bị VSM. 29 21 Hình 2.8. Hệ đo PPMS 6000. 30 22 Hình 3.1. Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu FeCo nghiền 10 giờ ở 31 các tốc độ nghiền khác nhau. 23 Hình 3.2. Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu FeCo với các tỉ lệ bi:bột 33 khác nhau nghiền 10 giờ, tốc độ nghiền 450 vòng/phút. 24 Hình 3.3. Giản đồ nhiễu xạ tia X (a) của bột FeCo và (b) của cấu 34 trúc hcp của bột Co ở các thời gian nghiền khác nhau. 25 Hình 3.4. Kích thước tinh thể trung bình phụ thuộc thời gian 35 nghiền. 26 Hình 3.5. Ảnh FESEM của mẫu bột FeCo với thời gian nghiền 36 khác nhau: a) 1giờ; b) 10 giờ; c) 24 giờ và d) 32 giờ. 27 Hình 3.6. Các phổ EDX của một số mẫu bột FeCo tiêu biểu a)M6; 37 b) M10 và mẫu c) M32. 28 Hình 3.7. Đường cong từ trễ của ba mẫu bột FeCo tiêu biểu sau khi 38 nghiền 1 giờ, 10 giờ và 32 giờ. 29 Hình 3.8. Ms và Hc của mẫu phụ thuộc thời gian nghiền. 39 30 Hình 3.9. Giản đồ XRD của mẫu M10 cho thấy sự có mặt của pha 40 Fe3O4. 31 Hình 3.10. (a) Giản đồ XRD và (b) Ms của mẫu M10 và M32 phụ 41 thuộc thời gian bảo quản trong không khí.
32 Hình 3.11. Giản đồ nhiễu xạ tia X của bột Fe50Co50 sau khi nghiền 42 32 giờ và được ủ tại các nhiệt độ khác nhau. 33 Hình 3.12. Kích thước tinh thể trung bình của mẫu 32 giờ phụ 43 thuộc nhiệt độ ủ. 34 Hình 3.13. Các ảnh hiển vi điện tử quét của hai mẫu bột FeCo tiêu 44 biểu a) M32 và b) M32-700. 35 Hình 3.14. Các phổ EDX của mẫu tiêu biểu M10-700. 44 36 Hình 3.15. (a) Đường cong từ trễ và (b) Ms, Hc của mẫu nghiền 32 45 giờ ủ ở các nhiệt độ khác nhau đo tại nhiệt độ phòng. 37 Hình 3.16. Đường cong từ trễ của mẫu M10-700 đo trên hệ VSM 46 và PPMS (đo tại 300 K). Hình nhỏ là phần tâm của đường cong. 38 Hình 3.17. Đường từ hóa ban đầu của mẫu M10-700 được đo tại 47 các nhiệt độ 20 K, 200 K và 300 K. Đường liền nét là đường làm khớp với các số liệu M (H) theo phương trình 3.1. 39 Hình 3.18. Đường khử từ của mẫu bột M10-700 đo tại các nhiệt độ 48 khác nhau từ 20-300 K. 40 Hình 3.19. Lực kháng từ phụ thuộc nhiệt độ đo của mẫu M10-700. 49 41 Hình 3.20. (a) Giản đồ XRD và (b) Ms của các mẫu M32 sau khi 51 xử lý nhiệt phụ thuộc thời gian bảo quản trong không khí. Danh mục các bảng
STT Chú thích bảng Trang 1 Bảng 1.1. Nhiệt độ Curie của một số vật liệu sắt từ. 10 2 Bảng 1.2. Kích thước đơn đômen và hằng số dị hướng từ tinh 14 thể của một số vật liệu từ điển hình. 3 Bảng 1.3. Dung tích điển hình của các loại máy nghiền khác 18 nhau. 4 Bảng 1.4. So sánh hai loại máy nghiền năng lượng cao và 19 thông thường. 5 Bảng 2.1. Kí hiệu mẫu theo thời gian nghiền. 24 6 Bảng 2.2. Kí hiệu mẫu theo nhiệt độ ủ. 24 7 Bảng 3.1. Kích thước tinh thể và thông số mạng phụ thuộc vào 32 tốc độ nghiền. 8 Bảng 3.2. Kích thước tinh thể và thông số mạng phụ thuộc vào 33 tỉ lệ bi:bột. 9 Bảng 3.3. Các tính chất từ của các bột hợp kim nano tinh thể 50 được chế tạo bằng phương pháp hợp kim cơ và xử lý nhiệt tiếp theo.
MỞ ĐẦU Vật liệu từ mềm với các phẩm chất từ tuyệt vời: độ từ hóa bão hòa cao, nhiệt độ Curie cao, lực kháng từ thấp… đã được sử dụng rộng rãi như làm các cực trong mô tô điện và máy phát điện, trong lõi biến áp, các mạch chuyển đổi chuyển tiếp cho các hệ thống thông tin liên lạc và các thiết bị điện khác... Hợp kim từ mềm thường tồn tại dưới các hợp chất của sắt bao gồm thép cacbon thấp, silicon - sắt, niken cao - sắt và hợp kim sắt - coban…[14] Gần đây, khoa học và công nghệ nano có sự phát triển vượt bậc bởi những hiện tượng lý thú xuất hiện trong vùng kích thước nano mét cũng như khả năng ứng dụng rất hứa hẹn của chúng trong nhiều lĩnh vực: điện tử học, năng lượng, môi trường, y sinh… Trong số các vật liêu nano, các vật liệu từ mềm thế hệ mới bao gồm các hợp kim vô định hình, nano tinh thể… với điện trở cao, khả năng chống ăn mòn tốt, độ bền cơ học lớn hơn so với hợp kim dạng khối đã nhận được sự quan tâm đặc biệt. Hợp kim Fe-Co với các đặc trưng từ mềm nổi bật như độ từ thẩm cao, nhiệt độ Curie cao và đặc biệt từ độ bão hòa cao nhất trong số các vật liệu sắt từ đã biết được xem là vật liệu có tiềm năng ứng dụng trong nam châm tổ hợp trao đổi đàn hồi, hấp thụ sóng điện từ, hay các ứng dụng y sinh…[22, 24, 32]. Hợp kim Fe-Co có cấu trúc lập phương tâm khối, trong khoảng 30 < x < 70, Fe-Co chuyển đổi từ cấu trúc bất trật tự sang cấu trúc trật tự dưới nhiệt độ 7300C [10]. Hợp kim Fe-Co dạng hạt có thể được tổng hợp bằng các phương pháp hóa học và vật lý khác nhau: polyol [34], phân hủy nhiệt [28], nghiền bi [22]… Hợp kim cơ (MA) là kỹ thuật nghiền bi năng lượng cao có nhiều ưu điểm: tương đối đơn giản, đầu tư thấp, độ lặp lại cao, sản xuất với khối lượng lớn…. Để tổng hợp hệ các hạt Fe-Co bằng phương pháp MA người ta thường sử dụng các thiết bị nghiền bi có năng lượng cao như máy nghiền hành tinh Fritsch P6, nghiền rung, lắc SPEX 8000D… Trong quá trình hợp kim cơ, các bột kim loại Fe, Co được nghiền trong môi trường khí bảo vệ như Ar để giảm thiểu sự ôxy hóa. Sản phẩm thu từ quá trình nghiền thường có từ độ bão hòa Ms cao và ít thay đổi theo thời gian nghiền, trong khi đó lực kháng từ Hc tăng theo thời gian nghiền [8, 19, 22]. Tuy nhiên, trên thế giới có rất ít những công bố về 1
sự tổng hợp và tính chất của hợp kim Fe-Co được chế tạo trong môi trường không khí [20]. Sự ổn định của từ độ của mẫu khi được bảo quản trong không khí cũng chưa được quan tâm nghiên cứu một cách thỏa đáng. Trong thời gian gần đây, tại Viện Khoa học vật liệu, các hợp kim Fe-Co dạng hạt đã được tổng hợp bằng một số phương pháp như thủy nhiệt, hợp kim cơ… nhằm sử dụng cho các ứng dụng trong nam châm trao đổi đàn hồi và y sinh. Đã có một vài công bố sơ bộ về ảnh hưởng của thời gian nghiền và nhiệt độ ủ tới các đặc trưng cấu trúc, tính chất từ của hợp kim Fe65Co35 [12, 13]. Tuy nhiên, những nghiên cứu về ảnh hưởng của ôxy hóa tới sự xuất hiện của các pha tinh thể thứ cấp nền Fe và Co bên cạnh pha hợp kim chính Fe-Co với cấu trúc lập phương tâm khối cũng như những biện luận thỏa đáng về ảnh hưởng của các pha này tới tính chất từ cũng chưa được nghiên cứu tường minh. Xuất phát từ tình hình nghiên cứu hợp kim Fe-Co dạng hạt trên thế giới cũng như ở Việt Nam, căn cứ vào kinh nghiệm của Thầy hướng dẫn, trang thiết bị tại Viện Khoa học vật liệu và cũng để phát triển, hoàn thiện những kết quả nghiên cứu đã đạt được chúng tôi lựa chọn đề tài của luận văn: “ Nghiên cứu tính chất từ của hợp kim Fe50Co50 có kích thước nano mét tổng hợp bằng phương pháp hợp kim cơ ” Mục tiêu của luận văn: - Chế tạo thành công hệ hạt nano Fe50Co50 bằng phương pháp hợp kim cơ. - Tìm hiểu ảnh hưởng của thời gian nghiền và nhiệt độ ủ tới các đặc trưng cấu trúc, tính chất từ của hợp kim. - Biện luận thỏa đáng ảnh hưởng của ôxy hóa tới cấu trúc, tính chất từ và sự ổn định từ độ khi bảo quản ngoài không khí. Phƣơng pháp nghiên cứu Khóa luận được tiến hành bằng phương pháp thực nghiệm. Các kết quả thực nghiệm được làm khớp với một số mô hình lý thuyết về cấu trúc và tính chất từ để phân tích kết quả và biện luận. 2
Bố cục của khóa luận: luận văn gồm 56 trang với phần mở đầu, 3 chương nội dung và kết luận. Cụ thể như sau: Mở đầu Chƣơng 1: Tổng quan Chƣơng 2: Các kỹ thuật thực nghiệm Chƣơng 3: Kết quả và thảo luận Kết luận Tài liệu tham khảo Danh mục công trình công bố 3
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN Trong chương này chúng tôi trình bày những nét cơ bản về giản đồ pha, cấu trúc tinh thể, các tính chất từ cũng như một vài phương pháp tổng hợp vật liệu Fe-Co có kích thước nano mét. 1.1. Giản đồ pha của Fe-Co Giản đồ pha (còn gọi là giản đồ trạng thái hay giản đồ cân bằng) của một hệ là công cụ để biểu thị mối quan hệ giữa nhiệt độ, thành phần và tỷ lệ các pha của hệ đó ở trạng thái cân bằng. Giản đồ pha cũng là cách biểu diễn quá trình kết tinh của hợp kim, ở đó các loại pha được kết tinh từ dung dịch [7]. Khái niệm pha được hiểu là những phần đồng nhất của hợp kim (còn được gọi là hệ) ở điều kiện cân bằng trong cùng một trạng thái (có thể là lỏng, rắn hay khí) và ngăn cách với các phần còn lại (tức với các pha khác) bằng bề mặt phân chia. Một pha trong trạng thái rắn phải có cùng kiểu mạng và thông số mạng. Một số hợp kim sẽ tồn tại dưới dạng dung dịch rắn mất trật tự, trong đó vị trí các ion kim loại được định xứ ngẫu nhiên trong mạng tinh thể. Một tinh thể hoàn thiện là tinh thể mà trong đó các nguyên tử được phân bố vào đúng vị trí mạng cơ sở của nó một cách có trật tự. Khi nhiệt độ tăng lên thì các nguyên tử ở các mạng lưới dao động mạnh dần và có thể rời khỏi vị trí của nó để đi vào các hốc trống giữa các nút mạng, còn vị trí nút mạng trở thành lỗ trống và lúc này mạng lưới tinh thể sẽ trở thành mất trật tự [7]. Phân tích ví dụ hình 1.1 b và c về giản đồ cấu trúc của hợp kim Fe-Pt cho thấy cấu trúc trật tự L12 và cấu trúc bất trật tự lập phương tâm mặt A1, nhận thấy rằng ở hình 1.1 b pha trật tự các nguyên tử của một loại nguyên tố chỉ chiếm vị trí tại các đỉnh hoặc các mặt của khối lập phương. Trong khi đó với cấu trúc mất trật tự như ở hình 1.1 c các ion của hai nguyên tố Fe và Pt có thể chiếm chỗ tại các đỉnh hoặc tâm mặt của hình lập phương. 4
Hình 1.1. Giản đồ minh họa a) cấu trúc L10; b) cấu trúc trật tự L12 và c) pha bất trật tự A1 của hợp kim Fe-Pt [29] Nguyên tử Co (%) T(0C) Khối lượng Co (%) Hình 1.2. Giản đồ pha của Fe-Co [14] Giản đồ pha của Fe-Co được biểu diễn trên hình 1.2. Từ giản đồ này có thể thấy Fe và Co tạo nên hệ dung dịch rắn mất trật tự fcc (γ) ở nhiệt độ cao. Ở nhiệt độ trên 7300C với Co chiếm ~ 75% khối lượng thì hợp chất này tồn tại ở trạng thái dung dịch rắn bcc (α). Dưới nhiệt độ 7300C, tồn tại dạng bcc (α) với thành phần nguyên tố cân 5
bằng nhau (trật tự nguyên tử theo dạng cấu trúc của CsCl (α1)). Sự chuyển đổi từ pha trật tự - bất trật tự đóng một vai trò quan trọng trong việc xác định tính chất từ và phẩm chất cơ học của vật liệu [14]. Hợp kim Fe-Co được xem là vật liệu có giá trị từ độ bão hòa cao nhất trong số các vật liệu sắt từ đã biết. Mặc dù Co có mômen từ nguyên tử thấp hơn của Fe, nhưng khi được thay bởi Co sẽ làm tăng từ độ của hợp kim. Hình 1.3 chỉ ra sự thay đổi của mô men từ bão hòa ở nhiệt độ phòng của Fe theo hàm lượng Co được đưa vào, cho thấy giá trị lớn nhất đạt được là 240 emu/g khi Co chiếm là 35% khối lượng trong hợp kim. Tuy nhiên, độ từ thẩm cao nhất đạt được khi tỉ phần của hợp kim Fe/Co = 50/50 [14]. Ms (emu/g) Khối lượng Co (%) Hình 1.3. Sự thay đổi của từ độ bão hòa của hợp kim Fe-Co theo tỉ lệ Co [14]. 1.2. Cấu trúc tinh thể của Fe-Co Fe kim loại thường tồn tại dưới 2 dạng cấu trúc lập phương tâm khối (bcc) và lập phương tâm mặt (fcc), trong khi đó Co tồn tại dưới 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 được hình thành ở pha bcc do quá trình kết tinh của hợp kim. Thay thế Co cho 6
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 được tìm thấy có cả cấu trúc fcc và hcp trong quá trình kết tinh của hợp kim. Năng lượng 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 [30]. bcc fcc hcp Hình 1.4. Các dạng cấu trúc tinh thể của Fe (bcc, fcc) và Co (hcp, fcc). Hằng số mạng cho hai dạng cấu trúc fcc và bcc của sắt lần lượt 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. Các tính chất từ [3, 5, 6] Hợp kim Fe-Co là vật liệu từ mềm điển hình với các đặc trưng [3]: - Từ độ bão hòa Ms cao, - Lực kháng từ Hc nhỏ, - Độ từ thẩm cao, - Nhiệt độ Curie cao, - Dị hướng thấp (vật liệu dễ từ hóa hơn). Hình 1.5. Đường cong từ trễ của vật liệu từ mềm. 7
1.3.1. Từ độ bão hòa [3] Từ độ bão hòa là giá trị từ độ khi được từ hóa đến từ trường đủ lớn (vượt qua giá trị trường dị hướng) sao cho vật liệu ở trạng thái bão hòa từ, có nghĩa là các mômen từ hoàn toàn song song với nhau. Từ độ bão hòa là tham số đặc trưng của vật liệu sắt từ. Nếu ở không độ tuyệt đối (0 K) thì nó là giá trị từ độ tự phát của chất sắt từ. Vật liệu là từ mềm có từ độ bão hòa cao và hợp kim Fe-Co được biết đến là vật liệu từ mềm có từ độ bão hòa cao nhất hiện nay (240 emu/g). 1.3.2. Lực kháng từ [3] Lực kháng từ là từ trường ngoài cần thiết để một hệ, sau khi đạt trạng thái bão hòa từ, bị khử từ. Lực kháng từ chỉ tồn tại ở các vật liệu có trật tự từ (sắt từ, feri từ,...) và thường được xác định từ đường cong từ trễ. Người ta có thể phân loại các loại vật liêu từ qua giá trị lực kháng từ, trong cách phân loại này vật liệu từ cứng có lực kháng từ lớn và vật liệu sắt từ mềm có lực kháng từ nhỏ. Sự liên quan giữa từ trường (H), cảm ứng từ (B), và từ độ (M) được biểu diễn bằng công thức: B = μ0.(M+H) (1.1) Do đó, sẽ xuất hiện hai loại giá trị lực kháng từ: i. Lực kháng từ liên quan đến từ độ ( H cM ): là giá trị của lực kháng từ, cho phép triệt tiêu từ độ của mẫu. Giá trị này mang tính chất chung, không phụ thuộc vào hình dạng vật từ, và trong kỹ thuật thường được kí hiệu là H cM . Thông thường, nói đến lực kháng từ là nói đến khái niệm này. ii. Lực kháng từ liên quan đến cảm ứng từ ( H cB ): là giá trị của lực kháng từ cho phép triệt tiêu cảm ứng từ của mẫu. Giá trị này mang tính chất kỹ thuật, phụ thuộc vào hình dạng mẫu (do được bổ sung yếu tố dị hướng hình dạng của mẫu khi đo). Đối với các vật liệu có lực kháng từ nhỏ, sự sai khác giữa hai đại lượng này không đáng kể, sự sai khác này chỉ trở lên đáng kể đối với các vật liệu từ cứng. 8
Cơ chế tạo lực kháng từ liên quan đến cơ chế từ hóa và đảo từ của vật liệu, hay nói cách khác là liên quan đến sự thay đổi của cấu trúc từ và bị ảnh hưởng mạnh bởi cấu trúc hạt của vật liệu. Trình bày rõ hơn về đường cong từ hóa ban đầu: Đƣờng cong từ hóa Phân tích đường cong M(H), có thể phân chia thành ba giai đoạn quá trình từ hóa mẫu. Giai đoạn 1: dịch chuyển vách đomen (thuận nghịch và không thuận nghịch) tương ứng với đường OB trên đồ thị hình 1.6. Giai đoạn 2: các momen từ quay theo hướng từ trường ngoài, đoạn BC. Giai đoạn 3: quá trình thuận, sự tăng momen từ sau khi đạt giá trị bão hòa (H > Hs). M C (3 Ms )) s (2 )) B (1) A O H Hs Hình 1.6. Đường cong từ hóa ban đầu của sắt từ. 1.3.3. Nhiệt độ Curie Nhiệt độ Curie, thường được kí hiệu là Tc là nhiệt độ chuyển pha trong các vật liệu sắt từ, được đặt theo tên nhà vật lý học người Pháp Pierre Curie (1859-1906). Nhiệt độ Curie trong các chất sắt từ là nhiệt độ chuyển pha sắt từ - thuận từ. Ở dưới nhiệt độ này vật liệu mang tính sắt từ, còn khi ở trên nhiệt độ này vật liệu trở thành thuận từ. Nhiệt độ Curie tỉ lệ với số phối vị (số lân cận gần nhất), tích phân trao đổi của vật liệu theo công thức: 9