Luận án tiến sĩ vật lý chất rắn chế tạo và nghiên cứu tính chất từ của vật liệu tổ hợp nano không chứa đất hiếm mn bi ga

Luận án tiến sĩ vật lý nghiên cứu vật lý chất rắn chế tạo và nghiên cứu tính chất từ của vật liệu tổ hợp nano không chứa đất hiếm mn, phân tích chuyên sâu, xây dựng mô hình lý

• Tác giả: Nguyễn Mẫu Lâm
• Người hướng dẫn: PGS. Trần Minh Thi
• Trường học: Đại học Sư phạm Hà Nội
• Chuyên ngành: Vật lý
• Đề tài: Chế tạo và nghiên cứu tính chất từ của vật liệu nano Mn-Bi-Ga không chứa đất hiếm
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• MỤC LỤC
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU TỪ CỨNG KHÔNG CHỨA ĐẤT HIẾM Mn-(Bi, Ga), VẬT LIỆU TỪ MỀM Fe-Co VÀ VẬT LIỆU TỪ CỨNG TỔ HỢP
• 1.1. Lịch sử phát triển, ứng dụng, tính chất từ và phân loại vật liệu từ cứng
• 1.2. Lịch sử phát triển và ứng dụng của vật liệu từ cứng
• 1.3. Tính chất từ và phân loại vật liệu từ cứng
• 1.3.1. Tính chất từ
• 1.3.2. Phân loại vật liệu từ cứng
• 1.4. Hệ vật liệu từ cứng không chứa đất hiếm nền Mn-(Bi, Ga)
• 1.4.1. Hệ vật liệu Mn-Bi
• 1.4.1.1. Cấu trúc tinh thể
• 1.4.1.2. Tính chất từ
• 1.4.2. Hệ vật liệu Mn-Ga
• 1.4.2.1. Cấu trúc tinh thể
• 1.4.2.2. Tính chất từ
• 1.5. Hệ vật liệu từ mềm Fe-Co
• 1.5.1. Cấu trúc tinh thể
• 1.5.2. Tính chất từ
• 1.6. Hệ vật liệu từ cứng tổ hợp nano
• 1.6.1. Tính chất từ của vật liệu từ cứng tổ hợp nano
• 1.6.2. Vi cấu trúc. Biểu hiện từ
• 1.6.3. Một số mô hình lý thuyết khác về vật liệu tổ hợp
• 1.7. Phương pháp chế tạo vật liệu từ cứng
• 1.7.1. Phương pháp vật lý
• 1.7.2. Phương pháp hóa học
• 1.8. Nghiên cứu và phát triển vật liệu từ cứng ở Việt Nam
• 1.9. KẾT LUẬN CHƯƠNG 1
• 2. CHƯƠNG 2: CÁC KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM
• 2.1. Phương pháp chế tạo mẫu
• 2.2. Phương pháp hồ quang. Phương pháp phun băng nguội nhanh
• 2.3. Phương pháp nghiền cơ năng lượng cao
• 2.4. Phương pháp Polyol
• 2.5. Phương pháp đồng kết tủa. Các phương pháp khảo sát cấu trúc và tính chất từ
• 2.5.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X
• 2.5.2. Phương pháp hiển vi điện tử
• 2.5.3. Phương pháp đo từ độ bằng từ kế mẫu rung
• 2.5.4. Phương pháp đo từ độ bằng từ kế từ trường xung
• 2.5.5. Phương pháp chuyển đổi đơn vị đo và tính tích năng lượng cực đại (BH)max
• 2.6. KẾT LUẬN CHƯƠNG 2
• 3. CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU TỪ CỨNG NỀN Mn-(Bi, Ga)
• 3.1. Chế tạo vật liệu từ cứng Mn-Bi. Chế tạo vật liệu bằng phương pháp nghiền cơ năng lượng cao
• 3.2. Chế tạo vật liệu bằng phương pháp nguội nhanh. Chế tạo vật liệu bằng phương pháp nguội nhanh kết hợp nghiền cơ năng lượng cao
• 3.3. Ảnh hưởng của hợp phần
• 3.4. Ảnh hưởng của thời gian nghiền
• 3.5. Ảnh hưởng của chế độ xử lí nhiệt lên cấu trúc và tính chất từ
• 3.6. Chế tạo vật liệu từ cứng nền Mn-Ga
• 3.6.1. Chế tạo vật liệu bằng phương pháp nguội nhanh
• 3.6.2. Chế tạo bằng phương pháp nghiền cơ năng lượng cao
• 3.7. KẾT LUẬN CHƯƠNG 3
• 4. CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU TỪ MỀM Fe-Co
• 4.1. Chế tạo vật liệu từ mềm Fe-Co bằng phương pháp nghiền cơ năng lượng cao
• 4.2. Ảnh hưởng của môi trường nghiền
• 4.3. Ảnh hưởng của thời gian nghiền
• 4.4. Chế tạo vật liệu bằng phương pháp Polyol
• 4.5. Ảnh hưởng của nồng độ pH
• 4.6. Ảnh hưởng của hợp phần
• 4.7. Chế tạo Fe-Co bằng phương pháp đồng kết tủa
• 4.8. KẾT LUẬN CHƯƠNG 4
• 5. CHƯƠNG 5: CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU TỪ CỨNG TỔ HỢP NANO Mn-(Bi, Ga)/Fe-Co
• KẾT LUẬN CHUNG
• CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC THUỘC LUẬN ÁN ĐÃ CÔNG BỐ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Luận án tiến sĩ

Luận án tiến sĩ này tập trung vào việc chế tạo và nghiên cứu tính chất từ của vật liệu nano Mn-Bi-Ga không chứa đất hiếm. Nghiên cứu này nhằm tìm kiếm các giải pháp thay thế cho vật liệu từ cứng truyền thống dựa trên đất hiếm, vốn đang đối mặt với các vấn đề về nguồn cung và môi trường. Luận án đã sử dụng các phương pháp chế tạo tiên tiến như phương pháp nghiền cơ năng lượng cao, phương pháp nguội nhanh, và phương pháp đồng kết tủa để tạo ra các vật liệu nano với cấu trúc và tính chất từ tối ưu.

1.1. Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính của luận án tiến sĩ là phát triển các vật liệu nano Mn-Bi-Ga có tính chất từ vượt trội mà không cần sử dụng đất hiếm. Nghiên cứu này hướng đến việc ứng dụng các vật liệu này trong các lĩnh vực như động cơ điện, máy phát điện, và các thiết bị y tế, nơi mà vật liệu từ cứng truyền thống đang được sử dụng rộng rãi.

1.2. Phương pháp nghiên cứu

Luận án đã áp dụng nhiều phương pháp chế tạo nano như phương pháp nghiền cơ năng lượng cao, phương pháp nguội nhanh, và phương pháp đồng kết tủa. Các phương pháp này được lựa chọn để đảm bảo tính đồng nhất và kiểm soát được cấu trúc hạt nano, từ đó cải thiện các tính chất từ của vật liệu.

II. Chế tạo vật liệu nano

Quá trình chế tạo vật liệu nano trong luận án bao gồm việc sử dụng các phương pháp tiên tiến để tạo ra các hạt nano với kích thước và cấu trúc tối ưu. Các phương pháp như phương pháp nghiền cơ năng lượng cao và phương pháp nguội nhanh đã được áp dụng để đảm bảo tính đồng nhất và kiểm soát được cấu trúc hạt nano.

2.1. Phương pháp nghiền cơ năng lượng cao

Phương pháp nghiền cơ năng lượng cao được sử dụng để tạo ra các hạt nano với kích thước nhỏ và phân bố đồng đều. Phương pháp này giúp cải thiện tính chất từ của vật liệu bằng cách tăng cường sự tương tác giữa các hạt nano.

2.2. Phương pháp nguội nhanh

Phương pháp nguội nhanh được áp dụng để tạo ra các vật liệu nano với cấu trúc tinh thể ổn định. Phương pháp này giúp kiểm soát được quá trình kết tinh của vật liệu, từ đó cải thiện các tính chất từ như từ độ bão hòa và lực kháng từ.

III. Nghiên cứu tính chất từ

Luận án đã tiến hành nghiên cứu tính chất từ của các vật liệu nano Mn-Bi-Ga thông qua các phương pháp đo đạc tiên tiến như phương pháp nhiễu xạ tia X, phương pháp hiển vi điện tử, và phương pháp đo từ độ bằng từ kế mẫu rung. Các kết quả nghiên cứu cho thấy các vật liệu này có tiềm năng ứng dụng cao trong các lĩnh vực công nghiệp và y tế.

3.1. Tính chất từ của vật liệu nano Mn Bi

Vật liệu nano Mn-Bi được nghiên cứu cho thấy có tính chất từ vượt trội với từ độ bão hòa cao và lực kháng từ lớn. Các kết quả đo đạc cho thấy vật liệu này có tiềm năng ứng dụng trong các thiết bị từ tính hoạt động ở nhiệt độ cao.

3.2. Tính chất từ của vật liệu nano Mn Ga

Vật liệu nano Mn-Ga cũng được nghiên cứu và cho thấy có tính chất từ ổn định với dị hướng từ tinh thể lớn. Điều này làm cho vật liệu này trở thành ứng cử viên tiềm năng để thay thế các vật liệu từ cứng truyền thống dựa trên đất hiếm.

IV. Ứng dụng thực tiễn

Vật liệu nano Mn-Bi-Ga không chứa đất hiếm có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực công nghiệp và y tế. Các nghiên cứu trong luận án đã chỉ ra rằng các vật liệu này có thể được sử dụng trong các thiết bị từ tính, động cơ điện, và máy phát điện, nơi mà các vật liệu từ cứng truyền thống đang được sử dụng.

4.1. Ứng dụng trong công nghiệp

Các vật liệu nano Mn-Bi-Ga có thể được sử dụng trong các thiết bị công nghiệp như động cơ điện và máy phát điện. Các tính chất từ vượt trội của vật liệu này giúp cải thiện hiệu suất và độ bền của các thiết bị này.

4.2. Ứng dụng trong y tế

Trong lĩnh vực y tế, các vật liệu nano Mn-Bi-Ga có thể được sử dụng trong các thiết bị chẩn đoán và điều trị. Các tính chất từ ổn định của vật liệu này giúp nâng cao độ chính xác và hiệu quả của các thiết bị y tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Ngày nay, vật liệu từ cứng (VLTC) hay nam châm vĩnh cửu (NCVC) đƣợc ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực khác nhau của đời sống xã hội nhƣ: động cơ, máy phát điện, máy tính, máy tuyển quặng, máy bốc dỡ hàng hóa, máy lạnh, thiết bị khoa học kĩ thuật, quân sự, thiết bị y tế, năng lƣợng xanh, công nghệ thông tin… Theo các số liệu thống kê thì nhu cầu sử dụng VLTC ngày càng tăng cao, vì vậy tiềm năng ứng dụng của VLTC là rất lớn. Tuy nhiên VLTC có tích năng lƣợng (BH)max lớn đang đƣợc ứng dụng trong thực tế đều dựa trên các nguyên tố đất hiếm nhƣ Nd, Pr, Sm, Dy. Nguồn đất hiếm trên thế giới chỉ tập trung tại một số quốc gia nhất định. Vì vậy các quốc gia sử hữu nguồn đất hiếm coi đó nhƣ một lợi thế về cạnh tranh về kinh tế và chính trị trên thế giới.

Do nhu cầu sử dụng ngày càng tăng cao nên nguồn cung đất hiếm ngày càng bị cạn kiệt. Bên cạnh đó công nghệ khai thác và tinh chế đã gây ra nhiều hệ lụy đến môi trƣờng. Vì thế các nƣớc sở hữu đất hiếm đang hạn chế khai thác và xuất khẩu nên các nguyên tố đất hiếm này. Chính vì vậy giá thành của chúng ngày càng tăng cao.

Dẫn đến ảnh hƣởng mạnh đến ngành sản xuất sử dụng đất hiếm nói chung và ngành công nghiệp chế tạo NCVC nói riêng. Những lý do kể trên, đã thúc đẩy các nhà khoa học về vật liệu từ trên thế giới tập trung nghiên cứu cải tiến công nghệ chế tạo để nâng cao phẩm chất từ của các hệ NCVC hiện nay. Đồng thời tìm cách làm giảm hàm lƣợng đất hiếm trong NCVC chất lƣợng cao và tìm kiếm các pha từ cứng mới không chứa đất hiếm có phẩm chất từ tốt có thể thay thế một phần hoặc hoàn toàn NCVC chứa đất hiếm. VLTC không chứa đất hiếm Mn-Bi có tích năng lƣợng cực đại (BH)max theo lý thuyết vào cỡ 18 MGOe, có trục c là trục dễ từ hóa và có dị hƣớng từ cao ở nhiệt độ ph ng.

Lực kháng từ Hc của hệ vật liệu Mn-Bi có tính chất khá thú vị. Đó là trong v ng nhiệt độ 150 K – 550 K, Hc tăng theo sự tăng của nhiệt độ. Ở nhiệt độ 550 K ngƣời ta đã đo đƣợc dị hƣớng từ tinh thể K1 = 90 kOe và lực kháng từ Hc 18 kOe đây là điều kiện cho khả năng ứng dụng nam châm ở nhiệt độ cao. Ngoài ra, dị hƣớng từ vuông góc với mặt ph ng cơ sở của Mn-Bi gây nên hiệu góc quay Kerr lớn hứa hẹn Mn-Bi là một loại vật liệu ghi quang từ cao [5].

Tuy nhiên, những công -2- bố về VLTC Mn-Bi chủ yếu tập trung ở kích thƣớc hạt micro mét, các công bố về VLTC Mn-Bi có kích thƣớc hạt nano còn hạn chế. Nếu đề cập đến giá thành của vật liệu Mn-Bi, thì đây là hệ hợp kim rẻ tiền. Hệ VLTC thứ hai dựa trên nền Mn là Mn- Ga, hệ này là một trong số vật liệu từ cứng không chứa đất hiếm có dị hƣớng từ tinh thể lớn ở nhiệt độ ph ng nên đang chú ý trong những năm gần đây. Với những lí do đó hệ hợp kim Mn-(Bi, Ga) đã thu hút nhiều sự chú ý của các nhà khoa học trong nghiên cứu cơ bản và chế tạo NCVC không chứa đất hiếm có có khả năng ứng dụng trong thực tế.

Bên cạnh VLTC đơn pha đang đƣợc sử dụng rộng rãi hiện nay thì vật liệu tổ hợp cũng đang đƣợc các nhà khoa học đẩy mạnh nghiên cứu. Theo tính toán lý thuyết, VLTC tổ hợp có tích năng lƣợng cực đại có thể lên tới 120 MGOe nếu kích thƣớc hạt và cách sắp xếp của các pha từ phù hợp. Các hệ VLTC tổ hợp và phƣơng pháp chế tạo đang đƣợc nghiên cứu rất đa dạng, tuy nhiên phẩm chất từ đạt đƣợc về hệ vật liệu này của các nhóm nghiên cứu chƣa thực sự tƣơng xứng với các kết quả lý thuyết đã công bố. Từ những lý do trên chúng tôi đã lựa chọn đề tài nghiên cứu của luận án là: “Chế tạo và nghiên cứu tính chất từ của vật liệu tổ hợp nano không chứa đất hiếm Mn-(Bi, Ga)/Fe-Co”.

Đối tƣợng nghiên cứu của luận án - VLTC không chứa đất hiếm nền Mn-(Bi, Ga). - Vật liệu từ mềm (VLTM) Fe-Co. - VLTC tổ hợp không chứa đất hiếm có cấu trúc nano Mn-(Bi, Ga)/Fe-Co. Mục tiêu nghiên cứu của luận án - Tìm đƣợc hợp phần và các qui trình chế tạo VLTC nền Mn-(Bi, Ga), VLTM Fe-Co, VLTC tổ hợp Mn-(Bi, Ga)/Fe-Co và các yếu tố ảnh hƣởng đến tính chất từ của vật liệu.

- Làm sáng tỏ cơ chế từ cứng của VLTC nền Mn-(Bi, Ga) và VLTC tổ hợp Mn-(Bi, Ga)/Fe-Co. -3- Phƣơng pháp nghiên cứu Luận án đƣợc tiến hành bằng phƣơng pháp thực nghiệm. Các mẫu nghiên cứu đƣợc chế tạo bằng phƣơng pháp phun băng nguội nhanh,NCNLC và các phƣơng pháp hóa học. Cấu trúc của các mẫu đƣợc nghiên cứu bằng các kĩ thuật nhiễu xạ tia X (XRD), hiển vi điện tử quét SEM và hiển vi điện tử truyền qua TEM.

Tính chất từ của vật liệu đƣợc khảo sát bằng các phép đo đƣờng từ trễ M(H) trên hệ đo từ kế mẫu rung (VSM) và từ kế từ trƣờng xung (PFM). Ý nghĩa khoa học của luận án Luận án là công trình nghiên cứu cơ bản về VLTC Mn-(Bi, Ga), VLTM Fe-Co và VLTC tổ hợp Mn-(Bi, Ga)/Fe-Co. Các kết quả nghiên cứu đã đạt đƣợc là cơ sở cho việc nghiên cứu chế tạo hệ VLTC và VLTC tổ hợp không chứa đất hiếm nền Mn. Kết quả của luận án là cơ sở cho các nghiên cứu tiếp theo về các hệ VLTC này.

Làm chủ đƣợc qui trình công nghệ giúp cho các nhóm nghiên cứu có thể chủ động trong việc chế tạo vật liệu và các định hƣớng về ứng dụng. Luận án là nguồn tài liệu tham khảo có ý nghĩa cho việc nghiên cứu cơ bản về VLTC không chứa đất hiếm nền Mn-(Bi, Ga), vật liệu từ tổ hợp Mn-(Bi, Ga)/Fe- Co. Mặt khác, đề tài có ý nghĩa khoa học cao trong việc ứng dụng các hiệu ứng vật lí ở kích thƣớc nano mét cho việc tạo ra các loại vật liệu từ tiên tiến. Nội dung của luận án - Chế tạo VLTC nền Mn-(Bi, Ga) bằng các phƣơng pháp vật lí.

Khảo sát ảnh hƣởng của hợp phần và các điều kiện công nghệ đến cấu trúc và tính chất từ của hợp kim Mn-(Bi, Ga). - Chế tạo và khảo sát ảnh hƣởng của các điều kiện công nghệ lên cấu trúc và tính chất từ của vật liệu từ mềm (VLTM) Fe-Co bằng các phƣơng pháp nghiền cơ năng lƣợng cao, polyol và đồng kết tủa (ĐKT). - Chế tạo và nghiên cứu vật liệu tổ hợp nano Mn-(bi, Ga)/Fe-Co và khảo sát các điều kiện công nghệ ảnh hƣởng đến tính chất từ của vật liệu. -4- Bố cục của luận án Luận án đƣợc trình bày trong 5 chƣơng.

Chƣơng đầu là phần tổng quan về vật liệu từ cứng không chứa đất hiếm nền Mn-(Bi, Ga), vật liệu từ mềm Fe-Co và vật liệu tổ hợp nano. Chƣơng tiếp theo trình bày các kĩ thuật thực nghiệm về phƣơng pháp chế tạo mẫu và các phép đo đặc trƣng cấu trúc và tính chất từ của vật liệu. Chƣơng 3 trình bày các kết quả nghiên cứu hệ VLTC không chứa đất hiếm nền Mn-(Bi, Ga) đã thu đƣợc, bàn luận về ảnh hƣởng của hợp phần và các yếu tố công nghệ lên cấu trúc và tính chất từ của vật liệu. Chƣơng 4 trình bày về cấu trúc, tính chất từ hệ VLTM Fe-Co chế tạo bằng phƣơng pháp nghiền cơ năng lƣợng cao, polyol và đồng kết tủa.

Chƣơng 5 trình bày các kết quả về tính chất từ của hệ VLTC tổ hợp nano Mn50Bi50/Fe65Co35 và Mn65Ga20Al15/Fe65Co35. Kết quả chính của luận án 1. Đã nghiên cứu ảnh hƣởng của hợp phần và các điều kiện công nghệ lên sự tạo pha cấu trúc và tính chất từ của hai hệ hợp kim từ cứng Mn-Bi và Mn-Ga-Al. Kết quả cho thấy: Khi nồng độ Bi lớn, lực kháng từ Hc của hợp kim Mn-Bi tăng mạnh do các hạt sắt từ của pha LTP bị cô lập bởi các pha phi từ.

Tuy nhiên, từ độ bão hòa Ms bị suy giảm mạnh do tỉ phần pha LTP giảm. Hợp phần tối ƣu cho tính chất từ của hợp kim là Mn50Bi50. Bằng phƣơng pháp phun băng nguội nhanh kết hợp xử lí nhiệt có thể làm tăng tỉ phần và rút ngắn thời gian tạo pha LTP cho hợp kim Mn-Bi. Khí Ar là môi trƣờng nghiền thích hợp cho phƣơng pháp nghiền cơ năng lƣợng cao để chế tạo bột nano từ cứng Mn-Bi.

Đã chế tạo tạo đƣợc bột nano từ cứng Mn-Bi có Hc > 17 kOe, thích hợp cho việc chế tạo nam châm tổ hợp. Cấu trúc và tính chất từ của hợp kim Mn-Ga-Al bị ảnh hƣởng mạnh bởi nồng độ Al. Hợp phần tối ƣu cho tính chất từ của hệ hợp kim này là Mn65Ga20Al15. Môi trƣờng nghiền tối ƣu để chế tạo hạt nano Mn-Ga-Al là ethanol.

Các hạt nano từ cứng Mn-Ga-Al có Hc ~ 12 kOe nhỏ hơn so với hệ Mn-Bi nhƣng độ vuông đƣờng trễ tốt hơn và thể hiện tính đơn pha từ cứng. Đã chế tạo hệ vật liệu từ mềm Fe-Co có kích thƣớc nano mét bằng các phƣơng pháp nghiền cơ năng lƣợng cao, polyol và đồng kết tủa. Ảnh hƣởng của các điều -5- kiện phản ứng, hợp phần và chế độ xử lí nhiệt lên cấu trúc và tính chất từ của các hạt nano Fe-Co đã đƣợc khảo sát. Các phƣơng pháp chế tạo khác nhau đều cho các mẫu có kích thƣớc hạt từ 30÷70 nm và từ độ bão hòa Ms ~ 228÷232 emu/g.

Các mẫu bột nano Fe-Co thu đƣợc từ ba phƣơng pháp nhƣ trên có thể d ng để chế tạo nam châm tổ hợp. Bƣớc đầu chế tạo thành công vật liệu tổ hợp với hai hệ vật liệu Mn50Bi50/Fe65Co35 và Mn65Ga20Al15/Fe65Co35 sử dụng pha từ cứng chƣa xử lí nhiệt và pha từ cứng đã xử lí nhiệt. Tƣơng tác trao đổi đàn hồi giữa hai pha từ cứng - từ mềm và tích năng lƣợng cực đại (BH)max của vật liệu tổ hợp phụ thuộc mạnh vào tỉ lệ pha từ mềm và chế độ xử lí nhiệt của chúng. Giá trị (BH)max lớn nhất thu đƣợc cho hai hệ Mn50Bi50/Fe65Co35và Mn65Ga20Al15/Fe65Co35 sử dụng pha từ cứng đã xử lí nhiệt tƣơng ứng là 3,8 và 4,8 MGOe.

Luận án đƣợc thực hiện tại Khoa Vật lý, Trƣờng Đại học Sƣ phạm Hà Nội, Trƣờng Đại học Sƣ phạm Hà Nội 2, Phòng thí nghiệm Trọng điểm Vật liệu và Linh kiện Điện tử và Phòng Vật lý Vật liệu Từ và Siêu dẫn, Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.