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

Khóa luận phân tích ảnh hưởng của thời gian nghiền đến tính chất từ của vật liệu từ cứng MnBi, cung cấp cái nhìn sâu sắc về ứng dụng và hiệu suất.

• Tác giả: Phùng Thị Hiền
• Người hướng dẫn: ThS. GVC Nguyễn Mẫu Lâm
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2
• Chuyên ngành: Vật Liệu Từ Cứng
• Đề tài: Ảnh Hưởng Của Thời Gian Nghiền Đến Tính Chất Từ Của Vật Liệu Mn-Bi
• Loại tài liệu: khóa luận
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• MỞ ĐẦU
• 0.1. Lí do chọn đề tài
• 0.2. Mục đích nghiên cứu
• 0.3. Giả thuyết khoa học
• 0.4. Nhiệm vụ nghiên cứu
• 0.5. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 0.6. Phương pháp nghiên cứu
• 0.7. Cấu trúc khóa luận
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU TỪ CỨNG
• 1.1. Lịch sử phát triển của vật liệu từ cứng
• 1.2. Ứng dụng và nhu cầu của vật liệu từ cứng
• 1.3. Vật liệu từ cứng Mn-Bi
• 1.3.1. Cấu trúc tinh thể
• 1.3.2. Giản đồ pha của hợp kim Mn-Bi
• 1.3.3. Tính chất từ
• 1.3.4. Phương pháp chế tạo
• 2. CHƯƠNG 2: KĨ THUẬT THỰC NGHIỆM
• 2.1. Quy trình chế tạo mẫu
• 2.2. Thiết bị chế tạo mẫu
• 2.3. Phương pháp nấu hồ quang
• 2.4. Phương pháp phun băng nguội nhanh
• 2.5. Các phương pháp khảo sát cấu trúc
• 2.6. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM)
• 2.7. Phương pháp nhiễu xạ tia X
• 2.8. Các phép đo nghiên cứu tính chất từ
• 2.8.1. Các phép đo từ nhiệt trên hệ từ kế mẫu rung (VSM)
• 2.8.2. Phép đo từ trễ trên hệ từ trường xung (PFM)
• 3. 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 cấu trúc và tính chất từ của mẫu bột
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về ảnh hưởng của thời gian nghiền đến tính chất từ của vật liệu Mn Bi

Vật liệu từ cứng Mn-Bi đang thu hút sự chú ý trong nghiên cứu vật liệu từ nhờ vào tính chất từ tốt và giá thành hợp lý. Thời gian nghiền là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến cấu trúc và tính chất từ của vật liệu này. Nghiên cứu cho thấy rằng thời gian nghiền có thể làm thay đổi kích thước hạt, cấu trúc tinh thể và các tính chất từ của hợp kim Mn-Bi. Việc hiểu rõ ảnh hưởng này sẽ giúp tối ưu hóa quy trình chế tạo và nâng cao hiệu suất của vật liệu.

1.1. Tìm hiểu về vật liệu từ cứng Mn Bi và tính chất từ

Hợp kim Mn-Bi có cấu trúc tinh thể đặc biệt và tính chất từ nổi bật. Nghiên cứu cho thấy rằng hợp kim này có thể hoạt động hiệu quả trong nhiều ứng dụng công nghệ cao. Tính chất từ của Mn-Bi được xác định bởi cấu trúc tinh thể và các yếu tố bên ngoài như nhiệt độ và thời gian nghiền.

1.2. Vai trò của thời gian nghiền trong quá trình chế tạo

Thời gian nghiền ảnh hưởng trực tiếp đến kích thước hạt và cấu trúc của vật liệu. Nghiên cứu cho thấy rằng thời gian nghiền dài có thể dẫn đến sự gia tăng tính chất từ của hợp kim Mn-Bi, từ đó cải thiện hiệu suất của vật liệu trong ứng dụng thực tiễn.

II. Thách thức trong nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian nghiền đến tính chất từ

Mặc dù có nhiều nghiên cứu về ảnh hưởng của thời gian nghiền, nhưng vẫn còn nhiều thách thức trong việc xác định chính xác mối quan hệ giữa thời gian nghiền và tính chất từ của vật liệu Mn-Bi. Các yếu tố như nhiệt độ, áp suất và phương pháp nghiền cũng cần được xem xét. Việc kiểm soát các yếu tố này là rất quan trọng để đạt được kết quả chính xác.

2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất từ của vật liệu

Ngoài thời gian nghiền, nhiệt độ và áp suất cũng có ảnh hưởng lớn đến tính chất từ của hợp kim Mn-Bi. Nghiên cứu cho thấy rằng việc tối ưu hóa các yếu tố này có thể giúp cải thiện đáng kể tính chất từ của vật liệu.

2.2. Khó khăn trong việc kiểm soát quy trình nghiền

Quá trình nghiền có thể gặp phải nhiều khó khăn như sự không đồng nhất trong kích thước hạt và cấu trúc. Điều này có thể dẫn đến sự biến đổi không mong muốn trong tính chất từ của vật liệu, làm giảm hiệu quả ứng dụng.

III. Phương pháp nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian nghiền đến tính chất từ

Để nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian nghiền đến tính chất từ của vật liệu Mn-Bi, các phương pháp thực nghiệm như nghiền cơ năng lượng cao và xử lý nhiệt được áp dụng. Các mẫu được chế tạo và khảo sát bằng các thiết bị hiện đại như hiển vi điện tử quét (SEM) và nhiễu xạ tia X (XRD).

3.1. Quy trình chế tạo mẫu vật liệu Mn Bi

Mẫu vật liệu Mn-Bi được chế tạo thông qua quy trình nghiền cơ năng lượng cao. Quy trình này giúp tạo ra các hạt có kích thước nhỏ và đồng nhất, từ đó cải thiện tính chất từ của vật liệu.

3.2. Phương pháp khảo sát tính chất từ của mẫu

Các tính chất từ của mẫu được khảo sát bằng hệ đo từ kế mẫu rung (VSM) và phép đo từ trễ trên hệ từ trường xung (PFM). Những phương pháp này cho phép đánh giá chính xác tính chất từ của vật liệu trong các điều kiện khác nhau.

IV. Kết quả nghiên cứu về ảnh hưởng của thời gian nghiền đến tính chất từ

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng thời gian nghiền có ảnh hưởng rõ rệt đến tính chất từ của vật liệu Mn-Bi. Các mẫu nghiền trong thời gian dài cho thấy sự gia tăng đáng kể về lực kháng từ và từ độ bão hòa. Điều này mở ra hướng đi mới cho việc tối ưu hóa quy trình chế tạo vật liệu từ cứng.

4.1. Sự thay đổi tính chất từ theo thời gian nghiền

Nghiên cứu cho thấy rằng khi thời gian nghiền tăng, lực kháng từ và từ độ bão hòa của hợp kim Mn-Bi cũng tăng theo. Điều này chứng tỏ rằng thời gian nghiền là yếu tố quan trọng trong việc cải thiện tính chất từ của vật liệu.

4.2. Ứng dụng thực tiễn của vật liệu Mn Bi sau nghiên cứu

Với những cải thiện về tính chất từ, vật liệu Mn-Bi có thể được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như công nghệ điện tử, y học và quân sự. Điều này mở ra nhiều cơ hội mới cho việc phát triển các sản phẩm công nghệ cao.

V. Kết luận và triển vọng nghiên cứu về vật liệu Mn Bi

Nghiên cứu về ảnh hưởng của thời gian nghiền đến tính chất từ của vật liệu Mn-Bi đã chỉ ra rằng thời gian nghiền là yếu tố quyết định trong việc cải thiện tính chất từ. Các kết quả đạt được không chỉ có giá trị lý thuyết mà còn có ý nghĩa thực tiễn cao trong việc phát triển vật liệu từ cứng mới.

5.1. Tóm tắt kết quả nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng thời gian nghiền có ảnh hưởng tích cực đến tính chất từ của vật liệu Mn-Bi. Việc tối ưu hóa quy trình nghiền sẽ giúp nâng cao hiệu suất của vật liệu.

5.2. Hướng nghiên cứu trong tương lai

Trong tương lai, cần tiếp tục nghiên cứu sâu hơn về các yếu tố khác ảnh hưởng đến tính chất từ của vật liệu Mn-Bi. Việc phát triển các phương pháp chế tạo mới cũng sẽ là một hướng đi quan trọng để nâng cao chất lượng vật liệu.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU TỪ CỨNG. Lịch sử phát triển của vật liệu từ cứng. 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. Sự phát triển của nam châm vĩnh cửu trong thế kỉ 20 [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. 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. 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.