Đồ án: Nghiên cứu thể vô định hình, tính chất từ và nhiệt của hợp kim Al-Fe-Ni

Tài liệu nghiên cứu hợp kim Al-Fe-Ni, khảo sát thể vô định hình, tính chất từ và nhiệt bằng phương pháp hợp kim hóa cơ học năng lượng cao.

• Tác giả: Vũ Đức Hạnh
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Hoàng Việt
• Trường học: Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu
• Đề tài: Nghiên cứu khả năng hình thành thể vô định hình, tính chất từ và tính chất nhiệt của hợp kim Al-Fe-Ni
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về Hợp kim Al Fe Ni thể vô định hình

Hợp kim Al-Fe-Ni thể vô định hình là một loại vật liệu tiên tiến được tạo thành từ sự kết hợp của nhôm (Al), sắt (Fe) và nickel (Ni). Cấu trúc nguyên tử của nó không có sự sắp xếp đều đặn như vật liệu kết tinh truyền thống, mà thay vào đó có cấu trúc hỗn loạn. Đặc điểm này mang lại cho hợp kim những tính chất vật lý và hóa học độc đáo, khác biệt so với các hợp kim thông thường. Vật liệu này được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp điện tử, từ học và các lĩnh vực công nghệ cao khác.

1.1. Cấu trúc vô định hình và quá trình tạo thành

Hợp kim Al-Fe-Ni vô định hình được tạo thành thông qua các phương pháp làm lạnh nhanh chóng như rapid quenching hoặc melt spinning. Quá trình này ngăn chặn sự kết tinh của các nguyên tử, giữ lại cấu trúc vô định hình ổn định. Cấu trúc này cho phép các nguyên tử phân bố ngẫu nhiên, tạo ra một mạng lưới nguyên tử liên tục mà không có ranh giới hạt tinh thể rõ ràng.

II. Tính chất từ của hợp kim Al Fe Ni

Tính chất từ là một trong những đặc điểm quan trọng nhất của hợp kim Al-Fe-Ni thể vô định hình. Sự hiện diện của sắt và nickel làm cho hợp kim này có độ từ tính cao và khả năng từ hóa mạnh mẽ. Các hợp kim Al-Fe-Ni vô định hình thường cho thấy từ tính ferromagnetism rất tốt, với độ từ bão hòa (saturation magnetization) cao và độ thất thoát từ (magnetic loss) thấp. Điều này làm cho chúng trở thành ứng cử viên lý tưởng cho các ứng dụng như lõi biến áp, máy cảm ứng và các thiết bị điện từ khác.

2.1. Độ từ tính và ứng dụng thực tiễn

Hợp kim Al-Fe-Ni vô định hình có độ từ bão hòa cao (thường trong khoảng 100-140 emu/g) và độ cứng từ (coercivity) thấp, làm cho chúng rất hiệu quả trong các ứng dụng tần số cao. Các tính chất từ này có thể được tinh chỉnh thông qua các quá trình xử lý nhiệt hoặc bằng cách điều chỉnh thành phần hợp kim, mở ra nhiều khả năng tùy chỉnh cho các ứng dụng cụ thể.

III. Tính chất nhiệt của hợp kim Al Fe Ni

Tính chất nhiệt của hợp kim Al-Fe-Ni vô định hình đóng vai trò quan trọng trong việc xác định khả năng ứng dụng của nó. Hợp kim này có nhiệt độ chuyển đổi kính (glass transition temperature, Tg) và nhiệt độ kết tinh (crystallization temperature, Tx) nhất định, phụ thuộc vào thành phần cụ thể và quá trình xử lý. Độ dẫn nhiệt của hợp kim Al-Fe-Ni vô định hình thường thấp hơn so với các hợp kim kết tinh tương ứng, giúp giảm tổn thất nhiệt trong các ứng dụng từ học.

3.1. Ổn định nhiệt và xử lý nhiệt

Hợp kim Al-Fe-Ni vô định hình có ổn định nhiệt tương đối tốt cho đến khi đạt đến nhiệt độ kết tinh. Xử lý nhiệt được kiểm soát có thể được sử dụng để tối ưu hóa cấu trúc và tính chất của hợp kim. Các quá trình ủ (annealing) cân bằng ứng suất có thể cải thiện độ dẫn từ mà vẫn giữ nguyên cấu trúc vô định hình, kéo dài phạm vi nhiệt độ hoạt động hiệu quả.

IV. Ứng dụng và triển vọng phát triển

Hợp kim Al-Fe-Ni thể vô định hình có nhiều ứng dụng tiềm năng trong các lĩnh vực công nghiệp hiện đại. Chúng được sử dụng trong các lõi biến áp điện tử, cảm biến từ, thiết bị lưu trữ năng lượng từ, và các ứng dụng khác yêu cầu tính chất từ ổn định và tổn thất thấp. Với sự phát triển của công nghệ nanostructure và tối ưu hóa thành phần hợp kim, các ứng dụng mới liên tục được khám phá, mở ra triển vọng bài toàn cho vật liệu này trong tương lai.

4.1. Xu hướng nghiên cứu và phát triển tương lai

Các nhà nghiên cứu hiện tập trung vào việc phát triển các hợp kim Al-Fe-Ni vô định hình mới với hiệu suất cao hơn, chi phí thấp hơn và tính ổn định dài hạn tốt hơn. Nghiên cứu về kết hợp hợp kim này với các chất khác để tạo ra vật liệu composite tiên tiến cũng đang được tiến hành. Các công nghệ in 3D và chế tạo thêm có khả năng mở ra các hình thức ứng dụng mới cho hợp kim vô định hình này.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Giới thiệu chung Chương 2: Tổng quan lý thuyết Chương 3: Quy trình thực nghiệm Chương 4: Kết quả và thảo luận Kết luận và đề xuất Kết quả đồ án: phù hợp với yêu cầu đặt ra MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN. iii MỤC LỤC.v Danh mục hình vẽ.vii Danh mục bảng. GIỚI THIỆU CHUNG. Giới thiệu về vô định hình.

Định nghĩa và phân loại. Kim loại vô định hình. Thủy tinh kim loại khối. Một số phương pháp chế tạo vật liệu vô định hình.

TỔNG QUAN LÝ THUYẾT. Cơ sở lý thuyết chung về vật liệu vô định hình. Chuyển pha tinh thể - vô định hình. Giản đồ pha giả ổn định.

Tính chất của vô định hình kim loại. Hợp kim vô định hình nền Al. Hợp kim hóa nghiền cơ học. Lịch sử phát triển và hình thành.

Các phương pháp hợp kim hóa nghiền cơ học. Máy nghiền hành tinh. Máy nghiền bi theo phương ngang truyền thống. Máy nghiền bi theo phương ngang điều khiển bởi lực từ.

Máy nghiền bi rung. Ưu điểm của phương pháp hợp kim hóa cơ học. Cơ chế trong hợp kim hóa nghiền cơ học. Tác động giữa tính chất của hạt bột đến hợp kim hóa cơ học.

Các giai đoạn của quá trình nghiền. Các yếu tố ảnh hướng đến quá trình nghiền. Chuẩn bị vật liệu thành phần. Môi trường nghiền.

Tỉ lệ giữa khối lượng bi nghiền và bột. Chất trợ nghiền. Thời gian nghiền. QUY TRÌNH THỰC NGHIỆM.

Nguyên liệu ban đầu. Thiết bị phân tích. Nhiễu xạ tia X. Kính hiển vi điện tử quét (SEM).

Phân tích nhiệt lượng quét vi sai (DSC). KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN. Đặc trưng nhiễu xạ tia X của hệ Al82Fe14Ni4. Đặc trưng hình thái bột.

Hình thái học bề mặt. Đặc trưng độ bền nhiệt. Chuyển biến pha tại các píc nhiệt. Tính chất từ của hệ hợp ki vô định hình Al82Fe14Ni4.

67 Tài liệu tham khảo.68 Danh mục hình vẽ Hình 1. Năm loại mạng cơ bản trong cấu trúc trật tự gần theo mô hình Berne. Sự thay đổi (A) của tinh thể và thể vô định hình [7]. Sự thay đổi thể tích của thể thủy tinh theo tốc độ làm nguội và nung nóng lại [7].

Đường phân tích nhiệt DSC của mẫu vật liệu polyethylên terephthalate (PET) biểu thị 2 hiện tượng tỏa nhiệt và thu nhiệt trong khoảng 50 – 300oC. Peak thu nhiệt tạo bước nhảy được gọi là chuyển pha thủy tinh, peak tỏa nhiệt thứ hai tương ứng với quá trình tinh thể hóa và peak thu nhiệt cuối cùng tương ứng với quá trình nóng chảy của mẫu vật liệu[9]. Nguyên lý cơ bản về tạo thể vô định hình bằng các phản ứng trạng thái rắn [11]. Biểu diễn sơ đồ của quá trình MA: (a) khi bắt đầu nghiền và (b) sau một số sự kiện va chạm.

Mặt cắt ngang của hợp kim hóa cơ học Al50Zr50 bột sau khi nghiền 86 ks. El-Ékandarany và cộng sự[14]. Đường năng lượng tự do và giản đồ pha ổn định ( đường liền ) và giả ổn định ( đường nét đứt ). Sự thay đổi nồng độ nguyên tử trong (a) khuếch tan trạng thái dừng; (b) khuếch tán sau nứt vỡ và hàn nguội của các hạt bột.

Độ bền và các giá trị giới hạn đàn hồi đối với các loại vật liệu khác nhau[24]. Mối quan hệ giữa modul Young và độ bền kéo của vô định hình kim loại khối [25]. Lộ trình phát triển và áp dụng của phương pháp nghiền và trong 60 năm qua. Máy nghiền hành tinh (Fritsch Puluerisette 5)[37].

Sơ đồ chuyển động của bi nghiền và hỗn hợp bột[37]. Máy nghiền bi theo phương ngang truyền thống[37]. Máy nghiền bi theo phương ngang điều khiển bới lực từ. Hai loại máy nghiền rung.

Máy nghiền cọ mòn năng lượng cao dùng để hợp kim hóa cơ học. (a) Máy nghiền cọ mòn ngang, (b) Tang nghiền, (c) Tang nghiền và phần chuyển động quay rotor. Đặc điểm biến dạng của các thành phần đại diện của bột ban đầu trong hợp kim hóa cơ học. Trong trường hợp liên kim và phân tán giòn, các hạt vỡ thành kích thước nhỏ hơn [39].

Bi-bột-Bi va chạm của hỗn hợp bột trong suốt quá trình MA[39]. Cấu trúc dải được hình thành trong quá trình hợp kim hóa cơ học. Cấu trúc lớp do biến dạng dẻo mãnh liệt [39]. Ảnh hiển vi điện tử mẫu Al-Ni sau khi nghiền cơ học [39].

Sơ đồ thay đổi cấu trúc vi mô trong quá trình nghiền hỗn hợp bột dẻo- giòn. Đây là trường hợp điển hình của ôxít là pha gia cường phân tán. (a) Các hạt ôxit nằm trong trong các mối hàn của các hạt tổ hợp. Khoảng cách mối hàn lớn và nồng độ của các hạt ôxít khá cao.

(b) Khoảng cách mối hàn giảm và khoảng cách các hạt ôxít đã tăng lên. (c) Ôxít phân bố đều dọc theo các mối hàn có khoảng cách nhỏ. Ảnh hiển vi điện tử quét cho thấy các hạt Si nằm trong nền Ge (dẻo hơn sau khi nghiền cơ học hỗn hợp bột Si-Ge trong 12h [39]. Giai đoạn đầu của quá trình hợp kim hóa cơ học[40].

Giai đoạn trung gian của quá trình hợp kim hóa cơ học[40]. Giai đoạn cuối của quá trình hợp kim hóa cơ học[40]. Trình tự quá trình nghiền bi. Ảnh hưởng của tỷ số Bi-Bột đến độ cứng của bột[37].

Bột Al được nghiền hợp kim hóa cơ học: (a) hàn nguội liên tục làm tăng kích thước hạt, và (b) hàn nguội quá mạnh làm dính kết vào bi nghiền[37]. Sự thay đổi đường kính hạt trung bình theo thời gian nghiền[37]. Hạt bột Al nghiền cơ học khi sử dụng 0.5% khối lượng axit stearic[37]. Hạt bột Al nghiền cơ học khi sử dụng 3% khối lượng axit stearic[37].

Sự hình thành của một hạt thứ cấp trong hạt Al lớn. Tính toán kích thước hạt Al trung bình và khối lượng bột thu được như một hàm phụ thuộc vào phần trăm của nguyên tố điều khiển quá trình và thời gian nghiền:(a) và (b) sử dụng axit stearic, (c) và (d) sử dụng ethylene glycol. Cân bằng động của pha vô định hình trong hệ Ni 10Zr7 sử dụng máy nghiền hành tinh. Sơ đồ quy trình thí nghiệm.

Máy cân điện tử số DH-8068, 20g sai số 0. Máy nghiền hành tinh cùng hệ thống làm mát bằng nước (AGO-2). Hình ảnh mô phỏng máy nghiền bi hành tinh (AGO-2). Đồ thị quá trình xử lý nhiệt.

Máy đo nhiễu xạ tia X - X’Pret Pro. Mô tả quá trình nhiễu xạ - định luật Bragg. Thiết bị 7600F phát xạ trường FE-SEM, JEOL JSM. Dụng cụ phân tích nhiệt vi sai Labsys Evo S60/58988.

Đặc trưng nhiễu xạ của các loại bột kim loại nguyên liệu ban đầu. Đặc trưng nhiễu xạ tia X của bột hợp kim Al82Fe14Ni4 sau 5h nghiền. Đặc trưng nhiễu xạ tia X của bộ Al82Fe14Ni4 trong quá trình hợp kim hóa. Các đặc trưng nhiễu xạ tia X của hỗn hợp bột Al70Fe25Ni5 sau các khoảng thời gian nghiền khác nhau[41].

Kết quả phân tích cấp hạt của hệ Al82Fe14Ni4 sau 5h nghiền. Kết quả phân tích cấp hạt của hệ Al82Fe14Ni4 sau 10h nghiền. Kết quả phân tích cấp hạt của hệ Al82Fe14Ni4 sau 20h nghiền. Kết quả phân tích cấp hạt của hệ Al82Fe14Ni4 sau 40h nghiền.

Kết quả phân tích cấp hạt của hệ Al82Fe14Ni4 sau 60h nghiền. Đường phân phối tích lũy bột nghiền trong 5h, 10h, 20h, 40h và 60h. Hình thái bột ở dạng vô định hình của hệ Al82Fe14Ni4 sau 5h nghiền. Hình thái bột ở dạng vô định hình của hệ Al 82Fe14Ni4 sau 10h nghiền.

Hình thái bột ở dạng vô định hình của hệ Al 82Fe14Ni4 sau 20h nghiền. Hình thái bột ở dạng vô định hình của hệ Al 82Fe14Ni4 sau 40h nghiền. Hình thái bột ở dạng vô định hình của hệ Al 82Fe14Ni4 sau 60h nghiền. Đường cong DSC của bột hợp kim Al 82Fe14Ni4 đã nghiền ở 20h, 40h, 60h.

Đường cong DSC của bột vô định hình Al82Fe14Ni4 sau khi nghiền trong 60h. Mẫu XRD của bột vô định hình Al82Fe14Ni4 được ủ ở các nhiệt độ khác nhau. Đường M-H của bột hợp kim Al82Fe14Ni4 sau khi nghiền ở các mốc thời gian khác nhau. 65 Danh mục bảng Bảng 2-1.

Hướng dẫn lựa chọn số lượng bi trong tang nghiền. Các chất trợ nghiền điển hình. Đặc điểm kỹ thuật của các loại bột nguyên tố trong chế tạo.45 Bảng 3-2 Phần trăm khối lượng của các nguyên tố trong hợp kim Al82Fe14N4. Các thông số của quá trình nghiền.

Nhiệt độ tinh thể hóa và thành phần pha của hợp kim Al-Fe được tổng hợp bởi máy nghiền bi hành tinh. Bảng tổng kết VSM của hệ Al82Fe14Ni4. GIỚI THIỆU CHUNG 1. Giới thiệu về vô định hình Vật liệu là vật chất tồn tại trong tự nhiên hoặc tạo thành từ quá trình tinh chế, tổng hợp.

Chúng là nguồn nguyên liệu, giữ vai trò quan trọng trong tất cả các ngành công nghiệp sản xuất sản phẩm nói chung. Về phương diện lịch sử, sự phát triển và những tiến bộ của xã hội đã gắn bó mật thiết với khả năng của con người để có thể chế tác và sử dụng các loại vật liệu khác nhau để phục vụ nhu cầu cần thiết của họ. Nền văn minh nhân loại đã từng được đặt tên theo sự phát hiện, phát triển của vật liệu sử dụng theo các thời kỳ như: thời kỳ đồ đá, đồ đồng, đồ sắt và thời kỳ của những vật liệu mới, vật liệu tiên tiến. Con người ngay từ sớm đã tiếp cận và sử dụng các vật liệu tồn tại trong tự nhiên xung quanh như đá, gỗ, đất sét, … Cùng với thời gian, họ đã khám phá ra những kỹ thuật có thể thay đổi vật liệu tự nhiên thành những vật liệu mới có tính chất ưu việt hơn như đồ gốm, các kim loại khác nhau.

Dần dần, những khám phá còn cho thấy tính chất vật liệu có thể được thay đổi bằng phương pháp xử lý nhiệt hoặc bằng cách bổ sung các chất, nguyên tố khác nhau. Dần dần, những khám phá còn cho thấy tính chất vật liệu có thể được thay đổi bằng phương pháp xử lý nhiệt hoặc bằng cách bổ sung các chất khác nhau. Thời xa xưa, việc sử dụng và chế tác vật liệu hoàn toàn dựa trên những thử nghiệm đơn giản và kinh nghiệm mang tính khách quan chứ chưa có hiểu biết thực sự về bản chất của sự biến đổi vật liệu qua các quá trình xử lý. Chỉ đến thời gian về sau, sự tiến bộ về nhận thức của con người đã giúp họ tìm hiểu được bản chất cũng như mối quan hệ giữa các yếu tố thuộc về cấu trúc và tính chất của vật liệu.

Các kiến thức này được xây dựng và phát triển mạnh trong khoảng 100 năm qua. Kể từ đó đến nay, hàng chục ngàn vật liệu liệu khác nhau với các tính chất riêng biệt đã được phát triển nhằm đáp ứng nhu cầu của xã hội hiện đại.