MỞ ĐẦU. Lí do chọn đề tài. Mục đích nghiên cứu. Nhiệm vụ nghiên cứu.
Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu. Phƣơng pháp nghiên cứu. Giả thuyết khoa học. Cấu trúc khóa luận.
4 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU TỪ CỨNG NANOCOMPOSITE MN- BI/FE-CO. Lịch sử phát triển của vật liệu từ cứng. Vật liệu từ cứng không chứa đất hiếm Mn-Bi.1 Cấu trúc tinh thể của Mn-Bi. Tính chất từ của Mn-Bi.
Phƣơng pháp chế tạo. Vật liệu từ mềm Fe-Co. Cấu trúc tinh thể. Tính chất từ.
Phƣơng pháp chế tạo. Vật liệu từ cứng tổ hợp nanocomposite Mn-Bi/Fe-Co.Mô Hình Kneller-Hawig. Vật liệu từ cứng nanocomposite nền Mn-Bi. 14 đẳng hƣớng và b) dị hƣớng.
15 CHƢƠNG 2 THỰC NGHIỆM. Chế tạo hợp kim từ cứng Mn-Bi/Fe-Co. Chế tạo hợp kim khối Mn-Bi bằng phƣơng pháp hồ quang. Chế tạo mẫu bột Mn-Bi bằng nghiền cơ năng lƣợng cao.
Ép viên, xử lí nhiệt bột hợp kim Mn-Bi. Chế tạo hợp kim từ mềm Fe-Co theo phƣơng pháp đồng kết tủa. Chế tạo tổ hợp nanocomposite Mn-Bi/Fe-Co. Các phƣơng pháp nghiên cứu cấu trúc.
Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X. Phƣơng pháp phân tích hiển vi điện tử quét (SEM).Các phép đo nghiên cứu tính chất từ. Phép đo từ nhiệt trên hệ từ kế mẫu rung. Phép đo từ trễ trên hệ từ trƣờng xung.
33 CHƢƠNG 3 THẢO LUẬN KẾT QUẢ. Chế tạo pha từ cứng và pha từ mềm. Chế tạo pha từ cứng Mn-Bi. Chế tạo pha từ mềm Fe-Co.
Chế tạo Vật liệu từ cứng Nanocomposite Mn50Bi50/Fe65Co35. Sử dụng pha từ cứng chƣa ủ nhiệt. Sử dụng pha từ cứng đã ủ nhiệt. 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. Hợp phần mẫu Fe65Co35. Từ độ bão hòa và lực kháng từ của mẫu trƣớc và sau ủ nhiệt ở 280oC trong 2 giờ. 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. Sự phát triển của nam châm vĩnh cửu (theo (BH)max). Cấu trúc tinh thể của hợp kim Mn-Bi (LTP). Đƣờng cong Bethe – Slater.
Sự phụ thuộc của lực kháng từ vào nhiệt độ của Mn-Bi. Đƣờng cong từ hóa của Mn-Bi ở nhiệt độ khác nhau. Các dạng cấu trúc tinh thể của Fe (bcc, fcc) và Co (hcp, fcc). Sự thay đổi của từ độ bão hòa của hợp kim Fe-Co theo tỉ lệ Co.
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. Cấu trúc hai chiều lí tƣởng của nam châm đàn hồi. 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. Chỉcó pha từ cứng. Hai pha từ cứng, từ mềm không tƣơng tác với nhau. Đƣờng cong khử từ của vật liệu tổ hợp.
Tích chất từ của vật liệu tổ hợp: a) đẳng hƣớng và b) dị hƣớng. Đƣờng khử từ của vật liệu tổ hợp: a) Mn-Bi/Fe và b)Mn-Bi/Co(NW). Tính chất từ của vật liệu tổ hợp Mn-Bi/Co (NW). Ảnh SEM và đƣờng từ trễ của pha từ cứng và pha từ mềm.
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. a) từ độ dƣ Mr và b) tích năng lƣợng cực đại phụ thuộc lực ép. 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. Sơ đồ khối của hệ nấu mẫu bằng hồ quang.
Hệ nấu hợp kim hồ quang. Cấu tạo chi tiết máy nghiền SPEX 8000D [2]. Sơ đồ khối của buồng khí r. Ảnh thực của BOX khí Ar.
Hệ ép mẫu. Lò xử lý nhiệt Thermo lindberg blue M. Buồng xử lý nhiệt. Máy rung siêu âm.
Bộ thí nghiệm chế tạo mẫu. Sơ đồ chế tạo vật liệu từ nanocomposite Mn-Bi/Fe-Co. Hiện tƣợng nhiễu xạ tia X. Nhiễu xạ kế tia X D8- Advance Bruker.
Thiết bị HITACHI S - 4800. Sơ đồ nguyên lý của hệ từ kế mẫu rung (VSM). Sơ đồ nguyên lý của hệ đo từ trƣờng xung. Hệ đo từ trƣờng xung (PFM) .1 Ảnh SEM mẫu Mn50Bi50 với thời gian nghiền 1 h và 2 h .2 Phổ nhiễu xạ tia X .3 Đƣờng cong từ trễ của mẫu bột Mn50Bi50 với thời gian nghiền khác nhau chƣa ủ nhiệt.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.5 a) Ảnh SEM của mẫu Fe65Co35, b) Phổ nhiễu xạ tia X.
Đƣờng cong từ trễ của pha từ mềm Fe65Co35. Đƣờng cong từ trễ của pha từ cứng khi chƣa ủ nhiệt. Đƣờng cong từ trễ của pha từ cứng đã ủ nhiệt .9: Đƣờng cong từ trễ của mẫu tổ hợp cứng/mềm với pha từ cứng đã ủ nhiệt. 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. 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.
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. 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. Phƣơng pháp nghiên cứu Phƣơng pháp thực nghiệm.
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. 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.
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.