Luận án tiến sĩ về nâng cao lực kháng từ của hợp kim Nd-Fe-B và Co-Zr

Luận án tiến sĩ nghiên cứu nâng cao lực kháng từ của hợp kim nền Nd-Fe-B và Co-Zr, góp phần phát triển vật liệu từ tính hiệu suất cao.

• Tác giả: Nguyễn Văn Dương
• Người hướng dẫn: PGS. Lưu Tiến Hưng
• Trường học: Học Viện Khoa Học Và Công Nghệ
• Chuyên ngành: Vật liệu điện tử
• Đề tài: Nâng cao lực kháng từ của hợp kim nền Nd-Fe-B và Co-Zr
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt
• Danh mục các bảng
• Danh mục các hình vẽ, đồ thị
• 1. MỞ ĐẦU: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU TỪ CỨNG NỀN Nd-Fe-B VÀ Co-Zr
• 1.1. Lịch sử phát triển của vật liệu từ cứng
• 1.2. Cấu trúc và tính chất từ của vật liệu từ cứng nền Nd-Fe-B và Co-Zr
• 1.2.1. Cấu trúc và tính chất từ của vật liệu từ cứng nền Nd-Fe-B
• 1.2.2. Cấu trúc và tính chất từ của vật liệu từ cứng nền Co-Zr
• 1.3. Cơ chế đảo từ và lực kháng từ của vật liệu từ cứng
• 1.3.1. Cơ chế đảo từ
• 1.3.2. Lực kháng từ
• 1.4. Các phương pháp chế tạo vật liệu từ cứng nền Nd-Fe-B và Co-Zr
• 1.4.1. Chế tạo vật liệu từ cứng nền Nd-Fe-B bằng phương pháp luyện kim bột
• 1.4.2. Chế tạo vật liệu từ cứng nền Co-Zr bằng phương pháp phun băng nguội nhanh
• 1.5. Các yếu tố ảnh hưởng lên cấu trúc và tính chất từ của vật liệu từ cứng nền Nd-Fe-B và Co-Zr
• 1.5.1. Các yếu tố ảnh hưởng lên cấu trúc và tính chất từ của vật liệu từ cứng nền Nd-Fe-B
• 1.5.2. Các yếu tố ảnh hưởng lên cấu trúc và tính chất từ của vật liệu từ cứng nền Co-Zr
• 1.6. Tình hình nghiên cứu vật liệu từ cứng nền Nd-Fe-B và Co-Zr ở trong nước
• 1.6.1. Tình hình nghiên cứu vật liệu từ cứng nền Nd-Fe-B ở trong nước
• 1.6.2. Tình hình nghiên cứu vật liệu từ cứng nền Co-Zr ở trong nước
• 1.7. Kết luận chương 1
• 2. KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM
• 2.1. Chế tạo hợp chất pha thêm
• 2.1.1. Chế tạo bằng phương pháp nghiền cơ năng lượng cao
• 2.1.2. Chế tạo bằng phương pháp nghiền khí
• 2.2. Quy trình và thiết bị chế tạo nam châm thiêu kết Nd-Fe-B bằng phương pháp luyện kim bột
• 2.2.1. Các thiết bị chế tạo
• 2.3. Chế tạo hợp kim nền Co-Zr bằng phương pháp phun băng nguội nhanh
• 2.3.1. Các thiết bị chế tạo
• 2.4. Các phương pháp nghiên cứu cấu trúc
• 2.4.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X
• 2.4.2. Phương pháp hiển vi điện tử
• 2.4.3. Các phép đo từ trễ trên hệ từ trường xung
• 2.5. Kết luận chương 2
• 3. NÂNG CAO LỰC KHÁNG TỪ CỦA NAM CHÂM THIÊU KẾT Nd-Fe-B BẰNG CÁCH PHA TẠP VÀO BIÊN HẠT
• 3.1. Cấu trúc của bột hợp kim Nd-Fe-B
• 3.2. Nâng cao lực kháng từ của nam châm thiêu kết Nd-Fe-B bằng cách pha thêm hợp chất kích thước nanomet vào biên hạt
• 3.2.1. Pha thêm hợp chất Nd50Al50 kích thước nanomet vào biên hạt
• 3.2.2. Pha thêm hợp chất Nd40Cu30Al30 kích thước nanomet vào biên hạt
• 3.3. Nâng cao lực kháng từ của nam châm thiêu kết Nd-Fe-B bằng cách pha thêm hợp chất kích thước micromet vào biên hạt
• 3.3.1. Pha thêm hợp chất Nd40Cu30Al30 và Dy40Nd30Al30 kích thước micromet vào biên hạt
• 3.3.2. Pha thêm hợp chất Dy30Nd17Pr3Al40Cu10 kích thước micromet vào biên hạt
• 3.4. Kết luận chương 3
• 4. NÂNG CAO LỰC KHÁNG TỪ CỦA HỢP KIM NỀN Co-Zr BẰNG CÁCH PHA TẠP VÀ THAY ĐỔI ĐIỀU KIỆN CÔNG NGHỆ
• 4.1. Cấu trúc và tính chất từ của các băng hợp kim Co100-xZrx (x = 16, 18 và 20)
• 4.1.1. Cấu trúc của các băng hợp kim
• 4.1.2. Tính chất từ của các băng hợp kim
• 4.2. Cấu trúc và tính chất từ của các băng hợp kim Co80Zr20-xBx (x = 0, 2, 3 và 4)
• 4.2.1. Cấu trúc của các băng hợp kim
• 4.2.2. Tính chất từ của các băng hợp kim
• 4.3. Cấu trúc và tính chất từ của các băng hợp kim Co79-xZr18+x-yMyB3 (M = Ti, x = 0, y = 1 - 4)
• 4.3.1. Cấu trúc của các băng hợp kim
• 4.3.2. Tính chất từ của các băng hợp kim
• 4.4. Cấu trúc và tính chất từ của các băng hợp kim Co77Zr20-xAlxB3 (x = 0, 2, 3 và 4)
• 4.4.1. Cấu trúc của các băng hợp kim
• 4.4.2. Tính chất từ của các băng hợp kim
• 4.5. Kết luận chương 4
• KẾT LUẬN CHUNG
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nâng cao lực kháng từ của hợp kim Nd Fe B và Co Zr

Hợp kim Nd-Fe-B và Co-Zr là hai loại vật liệu từ cứng quan trọng trong ngành công nghiệp hiện đại. Việc nâng cao lực kháng từ của chúng không chỉ giúp cải thiện hiệu suất mà còn mở ra nhiều ứng dụng mới. Nghiên cứu này sẽ đi sâu vào các phương pháp và kết quả đạt được trong việc tối ưu hóa tính chất từ của hai loại hợp kim này.

1.1. Tính chất từ của hợp kim Nd Fe B và Co Zr

Hợp kim Nd-Fe-B nổi bật với lực kháng từ cao và tích năng lượng từ cực đại. Trong khi đó, hợp kim Co-Zr cũng có những đặc điểm riêng biệt, như khả năng chịu nhiệt tốt và độ bền cao. Sự kết hợp giữa hai loại hợp kim này có thể tạo ra những sản phẩm với tính chất từ tối ưu hơn.

1.2. Lịch sử phát triển và ứng dụng của hợp kim

Hợp kim Nd-Fe-B được phát triển từ những năm 1980 và nhanh chóng trở thành lựa chọn hàng đầu cho nam châm vĩnh cửu. Hợp kim Co-Zr cũng đã được nghiên cứu và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, từ điện tử đến công nghiệp chế tạo máy.

II. Vấn đề và thách thức trong nâng cao lực kháng từ

Mặc dù hợp kim Nd-Fe-B và Co-Zr có nhiều ưu điểm, nhưng việc nâng cao lực kháng từ vẫn gặp phải một số thách thức. Các yếu tố như kích thước hạt, cấu trúc tinh thể và thành phần hóa học đều ảnh hưởng đến tính chất từ của hợp kim.

2.1. Ảnh hưởng của kích thước hạt đến lực kháng từ

Kích thước hạt nhỏ có thể làm tăng lực kháng từ, nhưng cũng có thể dẫn đến sự không đồng nhất trong cấu trúc. Việc tối ưu hóa kích thước hạt là một trong những thách thức lớn trong nghiên cứu này.

2.2. Cấu trúc tinh thể và ảnh hưởng đến tính chất từ

Cấu trúc tinh thể của hợp kim ảnh hưởng trực tiếp đến lực kháng từ. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc điều chỉnh cấu trúc tinh thể có thể cải thiện đáng kể tính chất từ của hợp kim.

III. Phương pháp nâng cao lực kháng từ của hợp kim Nd Fe B

Có nhiều phương pháp để nâng cao lực kháng từ của hợp kim Nd-Fe-B, bao gồm việc pha tạp và thay đổi điều kiện công nghệ. Những phương pháp này đã được nghiên cứu và áp dụng thành công trong nhiều dự án.

3.1. Pha tạp vào biên hạt để cải thiện tính chất từ

Pha tạp các hợp chất kích thước nanomet vào biên hạt của hợp kim Nd-Fe-B đã cho thấy hiệu quả rõ rệt trong việc nâng cao lực kháng từ. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc này giúp cải thiện độ bền và tính ổn định của nam châm.

3.2. Thay đổi điều kiện thiêu kết để tối ưu hóa tính chất

Điều chỉnh nhiệt độ và thời gian thiêu kết cũng là một phương pháp quan trọng. Nghiên cứu cho thấy rằng việc tối ưu hóa các điều kiện này có thể dẫn đến sự cải thiện đáng kể trong lực kháng từ của hợp kim.

IV. Nâng cao lực kháng từ của hợp kim Co Zr thông qua pha tạp

Hợp kim Co-Zr cũng có thể được cải thiện lực kháng từ thông qua việc pha tạp. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc thêm các nguyên tố như B có thể làm tăng đáng kể tính chất từ của hợp kim này.

4.1. Ảnh hưởng của các nguyên tố pha tạp đến tính chất từ

Việc thêm các nguyên tố như B vào hợp kim Co-Zr đã cho thấy sự cải thiện rõ rệt trong lực kháng từ. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng nồng độ và kích thước của các nguyên tố này có ảnh hưởng lớn đến tính chất từ.

4.2. Phương pháp chế tạo hợp kim Co Zr hiệu quả

Phương pháp phun băng nguội nhanh đã được áp dụng để chế tạo hợp kim Co-Zr với tính chất từ tối ưu. Nghiên cứu cho thấy rằng phương pháp này giúp cải thiện đáng kể cấu trúc và tính chất từ của hợp kim.

V. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng việc nâng cao lực kháng từ của hợp kim Nd-Fe-B và Co-Zr có thể đạt được thông qua nhiều phương pháp khác nhau. Những ứng dụng thực tiễn của các hợp kim này rất đa dạng, từ công nghiệp điện tử đến chế tạo máy.

5.1. Ứng dụng trong công nghiệp điện tử

Hợp kim Nd-Fe-B và Co-Zr được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử, từ nam châm vĩnh cửu cho động cơ đến các thiết bị lưu trữ năng lượng. Việc nâng cao lực kháng từ giúp cải thiện hiệu suất và độ bền của các thiết bị này.

5.2. Kết quả nghiên cứu và triển vọng tương lai

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc nâng cao lực kháng từ không chỉ giúp cải thiện tính chất từ mà còn mở ra nhiều cơ hội mới trong nghiên cứu và phát triển vật liệu từ cứng. Tương lai của các hợp kim này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều ứng dụng mới và tiềm năng.

VI. Kết luận và triển vọng tương lai của nghiên cứu

Nghiên cứu về nâng cao lực kháng từ của hợp kim Nd-Fe-B và Co-Zr đã chỉ ra nhiều phương pháp hiệu quả. Những kết quả đạt được không chỉ có giá trị trong nghiên cứu mà còn trong ứng dụng thực tiễn.

6.1. Tóm tắt kết quả nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng việc pha tạp và điều chỉnh điều kiện công nghệ có thể nâng cao đáng kể lực kháng từ của hợp kim. Những phát hiện này mở ra hướng đi mới cho nghiên cứu vật liệu từ cứng.

6.2. Triển vọng nghiên cứu trong tương lai

Tương lai của nghiên cứu về hợp kim Nd-Fe-B và Co-Zr hứa hẹn sẽ mang lại nhiều đột phá mới. Việc tiếp tục nghiên cứu và phát triển sẽ giúp tối ưu hóa tính chất từ và mở rộng ứng dụng của các hợp kim này.

Nội dung chính

Tổng quan luận án

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Nam châm thiêu kết nền $\text{Nd-Fe-B}$ sở hữu tích năng lượng từ cực đại $(BH)_{\text{max}}$ cao nhất trong các hệ vật liệu từ cứng hiện nay, phục vụ rộng rãi trong y tế, khoa học và kỹ thuật. Tuy nhiên, lực kháng từ $H_c$ của hệ vật liệu này suy giảm nhanh khi nhiệt độ làm việc gia tăng, khiến phạm vi ứng dụng thông thường bị giới hạn dưới $100^\circ\text{C}$. Trong các thiết bị công nghiệp như động cơ điện hay máy phát điện, nhiệt độ vận hành thực tế thường đạt khoảng $200^\circ\text{C}$, đòi hỏi lực kháng từ của nam châm phải đạt giá trị cao ($H_c > 25\text{ kOe}$).

Giải pháp truyền thống nhằm cải thiện lực kháng từ là thay thế một phần nguyên tố $\text{Nd}$ bằng nguyên tố đất hiếm nặng ($\text{HRE}$) như $\text{Dy}$, do pha $\text{Dy}2\text{Fe}{14}\text{B}$ có trường dị hướng từ tinh thể ($\mu_0 H_A \sim 27,8\text{ T}$ tương đương $H_A = 278\text{ kOe}$) cao vượt trội so với pha $\text{Nd}2\text{Fe}{14}\text{B}$ ($\mu_0 H_A \sim 7,5\text{ T}$ tương đương $H_A = 75\text{ kOe}$). Mặc dù vậy, hàm lượng $\text{Dy}$ trong tự nhiên chỉ bằng khoảng $10%$ so với $\text{Nd}$, giá thành đắt gấp khoảng 4 lần, quy trình khai thác và tinh chế gây tác động lớn đến môi trường sinh thái, đồng thời nguồn cung chịu sự chi phối địa chính trị. Do đó, việc nghiên cứu công nghệ khuếch tán hoặc pha tạp hợp chất chứa lượng nhỏ $\text{Dy}$ hoặc không dùng $\text{Dy}$ vào biên hạt nam châm thiêu kết $\text{Nd-Fe-B}$ là một yêu cầu cấp thiết.

Song song với đó, việc nghiên cứu các hệ vật liệu từ cứng không chứa đất hiếm nhằm hạ giá thành và đa dạng hóa nguồn cung cho các thiết bị không đòi hỏi lực kháng từ quá cao (như la bàn, ổ khóa, đầu đọc, tai nghe) là hướng đi cần thiết. Hợp kim nền $\text{Co-Zr}$ được quan tâm nhờ sở hữu hằng số dị hướng từ tinh thể lớn ($K_1 \approx 1,35\text{ MJ/m}^3$), từ độ bão hòa cao ($M_s \approx 9,7\text{ kG}$), nhiệt độ Curie cao ($T_C \approx 783\text{ K}$) và khả năng chống ăn mòn tốt. Tuy nhiên, tính chất từ cứng thực tế thu được của hệ $\text{Co-Zr}$ còn khiêm tốn so với giới hạn lý thuyết, và các công bố khoa học trong nước về hệ vật liệu này còn hạn chế.

Mục tiêu nghiên cứu

Luận án xác định hai mục tiêu nghiên cứu cụ thể được đánh số theo văn bản như sau:

1. Tăng cường lực kháng từ để mở rộng phạm vi ứng dụng của nam châm thiêu kết $\text{Nd-Fe-B}$ trong một số lĩnh vực đặc biệt (như mô tơ, máy phát) mà không sử dụng hoặc sử dụng một lượng nhỏ nguyên tố đất hiếm.
2. Tăng cường lực kháng từ của vật liệu từ cứng không chứa đất hiếm nền $\text{Co-Zr}$ để có thể ứng dụng trong một số lĩnh vực thực tế.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

• Đối tượng nghiên cứu:
  • Hợp kim từ cứng $\text{Nd-Fe-B}$ có pha thêm các hợp chất có kích thước nanomet và micromet ($\text{Nd-Al}$, $\text{Nd-Cu-Al}$, $\text{Dy-Nd-Al}$, $\text{Dy-Nd-Pr-Al-Cu}$) vào biên hạt.
  • Hợp kim từ cứng không chứa đất hiếm dạng băng nguội nhanh gồm các hệ: $\text{Co-Zr}$, $\text{Co-Zr-B}$ và $\text{Co-Zr-(Ti, Si, Nb, Al)-B}$.
• Phạm vi nghiên cứu:
  • Không gian: Đề tài được thực hiện tại Phòng thí nghiệm trọng điểm Vật liệu và linh kiện điện tử, Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam; phối hợp cùng Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2.
  • Thời gian: Các kết quả thực nghiệm và công bố khoa học được hoàn thành và bảo vệ trong năm 2022.

---

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trước trong nước và quốc tế

Lịch sử phát triển vật liệu từ cứng ghi nhận các bước chuyển dịch quan trọng về tích năng lượng từ cực đại $(BH)_{\text{max}}$, từ hợp kim $\text{AlNiCo}$ dị hướng ($\sim 10\text{ MGOe}$) và ferit từ cứng ($\sim 4\text{ MGOe}$) đến các hệ liên kim đất hiếm - kim loại chuyển tiếp ($\text{RE-TM}$). Năm 1966, hợp chất $\text{YCo}5$ mở đầu cho hướng nghiên cứu này. Tiếp đó, các nam châm thương mại $\text{SmCo}5$ ($(BH){\text{max}} \approx 20\text{ MGOe}$, năm 1967) và $\text{Sm}2\text{Co}{17}$ ($(BH){\text{max}} \approx 30\text{ MGOe}$, năm 1976) lần lượt ra đời.

Đối với hệ $\text{Nd-Fe-B}$, năm 1984 đánh dấu mốc quan trọng khi nhóm nghiên cứu của Croat (Mỹ) và Sagawa (Nhật Bản) công bố độc lập các kết quả đầu tiên về nam châm đất hiếm $\text{Nd-Fe-B}$. Cùng năm 1984, cấu trúc tinh thể và hợp thức chính xác của pha từ cứng $\text{Nd}2\text{Fe}{14}\text{B}$ được xác định đồng thời bởi ba nhóm tác giả Givord, Herbst và Shoemaker. Năm 1988, Coehoorn và các cộng sự tại Phòng thí nghiệm Philips Research đã chế tạo thành công vật liệu nanocomposite đạt $(BH){\text{max}} \approx 12\text{ MGOe}$. Nghiên cứu của L. Yu và cộng sự chỉ ra rằng việc kiểm soát cấu trúc vi mô với các hạt $\text{Nd}2\text{Fe}{14}\text{B}$ đồng đều, trục c định hướng song song và được bao bọc bởi pha biên hạt giàu $\text{Nd}$ mỏng, trơn nhẵn là điều kiện cốt lõi để nâng cao lực kháng từ. F. Vial cùng các cộng sự khi khảo sát mẫu nam châm $\text{Nd}{12,4}\text{Pr}{1,4}\text{B}{5,8}\text{Al}{0,3}\text{Cu}{0,1}\text{Co}{0,1}\text{Fe}{79,9}$ đã chứng minh việc xử lý nhiệt ở $520^\circ\text{C}$ giúp làm rõ biên hạt và nâng $H_c$ từ $5,5\text{ kOe}$ lên $13,7\text{ kOe}$, nhưng khi nâng lên $560^\circ\text{C}$ biên hạt bị biến dạng khiến $H_c$ giảm còn $10,7\text{ kOe}$.

Về hệ vật liệu không chứa đất hiếm $\text{Co-Zr}$, Pechin và cộng sự đã nghiên cứu có hệ thống từ những năm 60 của thế kỷ XX. Phương pháp làm nguội nhanh (melt-spinning) phát triển từ nghiên cứu năm 1960 của P. Duwez (Viện Công nghệ California) đã được áp dụng để khảo sát các băng nguội nhanh $\text{Co-Zr-(B)}$. Các nghiên cứu xác định hai hợp chất sắt từ chính trong hệ: pha lập phương $\text{Co}_{23}\text{Zr}6$ ($20,7%\text{ Zr}$) và pha từ cứng $\text{Co}{11}\text{Zr}_2$ ($15,4%\text{ Zr}$, tương ứng pha $\text{Co}5\text{Zr}$ tại $16,4%\text{ Zr}$) với trường dị hướng tinh thể đạt khoảng $35\text{ kOe}$. Pha từ cứng hình thoi $r\text{-Co}{11}\text{Zr}2$ chỉ bền ở nhiệt độ trên $1198\text{ K}$; ở nhiệt độ thấp hơn, nó phân hủy thành pha trực thoi $o\text{-Co}{11}\text{Zr}2$ cùng các pha từ mềm $\text{Co}$ và $\text{Co}{23}\text{Zr}6$, dẫn đến việc cần thiết phải làm lạnh nhanh để giữ pha giả bền. Các kết quả trước đó trên băng dị hướng $\text{Co}{11}\text{Zr}2$ ghi nhận $H_c \approx 2,4\text{ kOe}$ và $(BH){\text{max}} \approx 5,2\text{ MGOe}$, thấp hơn mức lý thuyết ($26\text{ MGOe}$).

Tại Việt Nam, nhóm nghiên cứu của GS. Nguyễn Huy Dân đã làm chủ quy trình công nghệ luyện kim bột chế tạo nam châm thiêu kết $\text{Nd-Fe-B}$ quy mô bán công nghiệp, pha tạp biên hạt đạt $H_c > 20\text{ kOe}$. Đối với vật liệu không chứa đất hiếm, TS. Nguyễn Mẫu Lâm đã chế tạo các tổ hợp nano $\text{Mn-Bi/Fe-Co}$ và $\text{Mn-Ga-Al/Fe-Co}$, tuy nhiên các khảo sát về hệ $\text{Co-Zr}$ còn rất ít.

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

Luận án tập trung giải quyết hai khoảng trống kỹ thuật - thực nghiệm cụ thể:

1. Tìm kiếm thành phần và tỷ lệ tối ưu của các hợp chất pha thêm kích thước nanomet và micromet giàu $\text{Nd}$, $\text{Al}$, $\text{Cu}$, bổ sung lượng nhỏ $\text{Dy}$ hoặc hoàn toàn không chứa $\text{Dy}$ khuếch tán vào biên hạt nam châm $\text{Nd-Fe-B}$ nhằm đưa lực kháng từ vượt mốc $25\text{ kOe}$ và đạt ngưỡng $30\text{ kOe}$ mà vẫn duy trì $(BH)_{\text{max}} > 30\text{ MGOe}$.
2. Khảo sát một cách hệ thống ảnh hưởng của việc pha tạp đa nguyên tố ($\text{B}$, $\text{Ti}$, $\text{Si}$, $\text{Nb}$, $\text{Al}$) kết hợp tối ưu hóa chế độ xử lý nhiệt (nhiệt độ và thời gian ủ) lên quá trình hình thành pha từ cứng và tính chất từ của băng hợp kim nguội nhanh hệ $\text{Co-Zr}$.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và khái niệm sử dụng

• Cấu trúc tinh thể pha từ cứng: Pha $\text{Nd}2\text{Fe}{14}\text{B}$ kết tinh dạng tứ giác, nhóm không gian $P4_2/mnm$, hằng số mạng $a = 0,88\text{ nm}$, $c = 1,22\text{ nm}$, khối lượng riêng $7,55\text{ g/cm}^3$. Ô cơ sở chứa 68 nguyên tử (4 đơn vị công thức), trong đó nguyên tử $\text{Nd}$ nằm ở 2 vị trí bất đối xứng ($f, g$), $\text{Fe}$ ở 6 vị trí ($c, e, j_1, j_2, k_1, k_2$) và $\text{B}$ ở vị trí $g$. Sự phối trí bất đối xứng tạo nên trường dị hướng từ tinh thể lớn ($H_A = 75\text{ kOe}$).
• Cơ chế đảo từ và lực kháng từ: Luận án dựa trên hai cơ chế đảo từ kinh điển:
  • Cơ chế tạo mầm đảo từ (Nucleation): Lực kháng từ bị khống chế bởi trường tạo mầm $H_N$. Quá trình đảo từ xảy ra khi từ trường ngược đạt giá trị đủ để hình thành mầm đảo từ tại các điểm khuyết tật, biên hạt hoặc pha phi từ có trường khử từ cục bộ lớn ($H_c = H_N$). Việc cô lập từ giữa các hạt bằng pha biên hạt giàu $\text{Nd}$ mỏng, mịn giúp ngăn chặn mầm đảo từ lan truyền.
  • Cơ chế ghim vách đômen (Pinning): Lực kháng từ bị khống chế bởi trường lan truyền vách $H_P$. Các sai hỏng cấu trúc, pha thứ cấp đóng vai trò làm tâm hãm chuyển động của vách đômen ($H_c = H_P$).
• Mối liên hệ vi cấu trúc: Khảo sát kích thước hạt trung bình $D$ so với kích thước tới hạn đơn đômen $D_{sd}$, ảnh hưởng của trường khử từ hiệu dụng $N_{\text{eff}}$, trường bão hòa cực đại $H_{s\text{max}}$ và nhiệt độ Curie $T_C$.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và công cụ phân tích

Nghiên cứu sử dụng hoàn toàn phương pháp thực nghiệm vật lý chất rắn và luyện kim:

1. Chế tạo nam châm thiêu kết $\text{Nd-Fe-B}$:
   • Nấu luyện hợp kim trong lò trung tần $\text{ZG-0,01J}$.
   • Phân mảnh hợp kim bằng máy đập hàm $\text{Pex-100}\times\text{125}$ và máy nghiền thô $\text{DSB }500\times 650$.
   • Nghiền mịn tạo bột nền $\text{Nd}{16,5}\text{Fe}{77}\text{B}_{6,5}$ bằng máy nghiền khí (Jet milling) model $\text{LHL-1}$, kích thước hạt đạt khoảng $3 - 5\ \mu\text{m}$.
   • Chế tạo bột hợp chất pha thêm kích thước nanomet và micromet bằng máy nghiền bi cơ năng lượng cao $\text{SPEX 8000D}$ với thời gian nghiền 20 phút (micromet) và 4 giờ (nanomet).
   • Ép định hướng bột trong từ trường bằng máy ép $\text{ZCY25-200}$ có hệ thống khí $\text{N}_2$ bảo vệ, kết hợp ép đẳng tĩnh khuôn cao su (RIP) trên máy $\text{DJY-120}$.
   • Thiêu kết pha lỏng trong lò thiêu kết chân không $\text{RVS-15G}$, tiếp nối bằng quá trình xử lý nhiệt (XLN) ủ ổn định tổ chức biên hạt.
   • Nạp từ bằng máy nạp từ xung $\text{M8500}$.
2. Chế tạo băng hợp kim nguội nhanh $\text{Co-Zr}$:
   • Nấu luyện sơ bộ các hợp phần trong lò hồ quang.
   • Chế tạo băng hợp kim vô định hình bằng thiết bị phun băng nguội nhanh đơn trục (melt-spinning) sử dụng nguồn phát cao tần, ống thạch anh và trống đồng làm lạnh nhanh quay tốc độ cao trong buồng bảo vệ khí trơ.
   • Xử lý nhiệt ủ kết tinh các mẫu băng trong môi trường chân không ở các dải nhiệt độ ($550 - 650^\circ\text{C}$) và thời gian khác nhau ($2 - 15$ phút hoặc 1 giờ).
3. Kỹ thuật phân tích cấu trúc và tính chất từ:
   • Nhiễu xạ tia X (XRD): Thiết bị $\text{Bruker Advance D8}$ xác định cấu trúc tinh thể, pha vô định hình và các pha thành phần.
   • Kính hiển vi điện tử quét (SEM) và EDX: Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường $\text{HITACHI S-4800}$ tích hợp phổ tán xạ năng lượng tia X ($\text{EDX}$) phân tích kích thước hạt, vi cấu trúc bề mặt gãy và phân bố nguyên tố tại tâm hạt, ngoài hạt và biên hạt.
   • Đo từ tính: Khảo sát các đường cong từ trễ, đường cong khử từ, cảm ứng từ dư $B_r$, lực kháng từ $H_c$, tích năng lượng từ cực đại $(BH)_{\text{max}}$ trên hệ đo từ trường xung (pulsed magnetic field).

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Tổng quan về vật liệu từ cứng nền Nd-Fe-B và Co-Zr

Chương 1 hệ thống hóa lịch sử phát triển vật liệu từ cứng, phân tích chi tiết cấu trúc tinh thể của pha $\text{Nd}2\text{Fe}{14}\text{B}$ và các hợp chất trong hệ $\text{Co-Zr}$ (như $\text{Co}_{11}\text{Zr}2$, $\text{Co}{23}\text{Zr}_6$). Luận điểm trọng tâm của chương là làm rõ mối quan hệ giữa vi cấu trúc và cơ chế lực kháng từ. Tác giả phân tích sâu cơ chế tạo mầm đảo từ và ghim vách đômen thông qua các đại lượng trường tạo mầm $H_N$, trường lan truyền vách $H_P$, và các dạng tâm ghim vách đômen (dạng phẳng, dạng thanh, dạng tròn).

Bên cạnh đó, chương tổng kết các công nghệ chế tạo chủ chốt: phương pháp luyện kim bột kết hợp tách vỡ hydro (HD), nghiền cơ học, nghiền khí jet-milling, ép định hướng và thiêu kết pha lỏng đối với $\text{Nd-Fe-B}$; phương pháp phun băng nguội nhanh đơn trục đối với hợp kim $\text{Co-Zr}$. Đồng thời, tác giả điểm lại ảnh hưởng của các điều kiện công nghệ (kích thước hạt, nhiệt độ thiêu kết, chế độ ủ nhiệt) và ảnh hưởng của các nguyên tố pha tạp ($\text{Dy}, \text{Al}, \text{Cu}$) lên tổ chức biên hạt và tính chất từ của nam châm.

Chương 2. Kỹ thuật thực nghiệm

Chương 2 mô tả chi tiết quy trình chế tạo mẫu và hệ thống thiết bị thực nghiệm được sử dụng trong luận án:

• Quy trình chế tạo bột hợp chất pha thêm ($\text{HCPT}$) bằng máy nghiền bi cơ năng lượng cao $\text{SPEX 8000D}$ với thời gian nghiền 20 phút (thu được hạt micromet) và 4 giờ (thu được hạt nanomet).
• Quy trình chế tạo nam châm thiêu kết $\text{Nd-Fe-B}$ trên dây chuyền thiết bị gồm: lò trung tần $\text{ZG-0,01J}$, máy đập hàm $\text{Pex-100}\times\text{125}$, máy nghiền thô $\text{DSB }500\times 650$, máy nghiền tinh jet-milling $\text{LHL-1}$, máy ép định hướng $\text{ZCY25-200}$ có khí $\text{N}_2$ bảo vệ, máy ép đẳng tĩnh khuôn cao su $\text{DJY-120}$, lò thiêu kết $\text{RVS-15G}$ và máy nạp từ $\text{M8500}$.
• Quy trình chế tạo băng hợp kim $\text{Co-Zr}$ trên hệ phun băng nguội nhanh đơn trục sử dụng nguồn phát cao tần, ống thạch anh và trống đồng quay tốc độ cao.
• Nguyên lý và thông số hoạt động của các thiết bị phân tích: thiết bị nhiễu xạ tia X $\text{Bruker Advance D8}$, kính hiển vi điện tử quét $\text{HITACHI S-4800}$ tích hợp $\text{EDX}$, và hệ đo từ trường xung xác định các tham số từ trễ.

Chương 3. Nâng cao lực kháng từ của nam châm thiêu kết Nd-Fe-B bằng cách pha tạp vào biên hạt

Chương 3 trình bày các kết quả thực nghiệm khảo sát cấu trúc bột nền $\text{Nd}{16,5}\text{Fe}{77}\text{B}_{6,5}$ và tác động của việc bổ sung các hợp chất pha thêm kích thước nanomet và micromet vào biên hạt:

Nhóm hợp chất pha thêm	Tên hợp chất	Kích thước / Thời gian nghiền	Tỷ phần tối ưu (% khối lượng)	Kết quả tính chất từ sau xử lý nhiệt
Kích thước nanomet	$\text{Nd}{50}\text{Al}{50}$	Nanomet / 4 giờ	$3%$	Lực kháng từ $H_c$ tăng đáng kể so với mẫu chưa pha; $(BH)_{\text{max}}$ duy trì ở mức cao.
	$\text{Nd}{40}\text{Cu}{30}\text{Al}_{30}$	Nanomet / 4 giờ	$3%$	$H_c$ tăng mạnh nhờ pha lỏng $\text{Cu-Al}$ làm mịn và trơn nhẵn biên hạt, cô lập từ tốt các hạt $\text{Nd}2\text{Fe}{14}\text{B}$.
Kích thước micromet	$\text{Nd}{40}\text{Cu}{30}\text{Al}_{30}$	Micromet / 20 phút	$4%$	Cải thiện độ linh động của pha giàu $\text{Nd}$, ngăn cản tiếp xúc trực tiếp giữa các hạt từ cứng.
	$\text{Dy}{40}\text{Nd}{30}\text{Al}_{30}$	Micromet / 20 phút	$5%$	Hình thành lớp vỏ $(\text{Nd,Dy})2\text{Fe}{14}\text{B}$ bao quanh hạt, tăng dị hướng từ bề mặt.
	$\text{Dy}{30}\text{Nd}{17}\text{Pr}3\text{Al}{40}\text{Cu}_{10}$	Micromet / 20 phút	$7%$	Đạt thông số tối ưu: $H_c \approx 30,5\text{ kOe}$, $(BH)_{\text{max}} \approx 30,8\text{ MGOe}$.

Phân tích phổ $\text{EDX}$ trên mẫu pha $7%\ \text{Dy}{30}\text{Nd}{17}\text{Pr}3\text{Al}{40}\text{Cu}_{10}$ tại ba vị trí (giữa hạt, ngoài hạt và biên hạt) chứng minh $\text{Dy}$ tập trung chủ yếu ở vùng rìa ngoài và biên hạt tạo nên lớp vỏ có dị hướng từ cao, nâng cao trường tạo mầm $H_N$ mà không làm suy giảm mạnh từ độ bão hòa trong lõi hạt $\text{Nd}2\text{Fe}{14}\text{B}$.

Chương 4. Nâng cao lực kháng từ của hợp kim nền Co-Zr bằng cách pha tạp và thay đổi điều kiện công nghệ

Chương 4 tập trung nghiên cứu thực nghiệm trên các hệ băng hợp kim nguội nhanh không chứa đất hiếm nền $\text{Co-Zr}$:

Hệ hợp kim khảo sát	Thành phần tỷ lệ	Điều kiện xử lý nhiệt (XLN)	Đặc trưng cấu trúc và tính chất từ
$\text{Co}_{100-x}\text{Zr}_x$	$x = 16, 18, 20$	Chưa ủ và ủ trong 2 phút	Mẫu băng nguội nhanh có trạng thái vô định hình; mẫu $\text{Co}{82}\text{Zr}{18}$ cho tính chất từ tốt nhất khi ủ thích hợp.
$\text{Co}{80}\text{Zr}{20-x}\text{B}_x$	$x = 0, 2, 3, 4$	Ủ ở $650^\circ\text{C}$ trong 2 phút	Pha $\text{B}$ thúc đẩy khả năng tạo vô định hình; mẫu với $x = 2$ ($\text{Co}{80}\text{Zr}{18}\text{B}_2$) đạt lực kháng từ tối ưu sau khi ủ.
$\text{Co}{79-x}\text{Zr}{18+x-y}\text{M}_y\text{B}_3$	$\text{M} = \text{Ti}, \text{Si}, \text{Nb}$ ($y = 0 - 4$)	Ủ $650^\circ\text{C}$ trong $10 - 15$ phút	Pha tạp $\text{Si}$ và $\text{Ti}$ hỗ trợ ức chế pha mềm $\text{Co}$, kích thích pha từ cứng $\text{Co}{11}\text{Zr}2$; $\text{Co}{77}\text{Zr}{17}\text{Si}3\text{B}3$ và $\text{Co}{79}\text{Zr}{16}\text{Ti}_2\text{B}_3$ đạt tính chất vượt trội.
$\text{Co}{80-x}\text{Zr}{18}\text{Al}_x\text{B}_2$	$x = 0, 2, 3, 4$	Ủ ở $550^\circ\text{C}$ trong 1 giờ	Khảo sát sự thay đổi từ độ bão hòa $M_s$ và $H_c$ theo hàm lượng $\text{Al}$; xác lập giới hạn pha tạp tối ưu trước khi xuất hiện pha phi từ làm giảm từ độ.

Kết quả nổi bật nhất của chương là xác lập chế độ công nghệ cho băng hợp kim $\text{Co}{77}\text{Zr}{17}\text{Si}_3\text{B}3$ sau khi ủ tại $650^\circ\text{C}$ trong thời gian 10 phút, đạt lực kháng từ $H_c \approx 4,5\text{ kOe}$ và tích năng lượng từ cực đại $(BH){\text{max}} \approx 3,5\text{ MGOe}$.

---

Kết quả và những đóng góp mới

Các đóng góp mới về mặt khoa học và thực tiễn

1. Về mặt khoa học:
   • Làm sáng tỏ quy luật phân bố và cơ chế nâng cao lực kháng từ khi đưa các hợp chất pha thêm kích thước nanomet và micromet ($\text{Nd-Al}$, $\text{Nd-Cu-Al}$, $\text{Dy-Nd-Al}$, $\text{Dy-Nd-Pr-Al-Cu}$) vào biên hạt nam châm thiêu kết $\text{Nd-Fe-B}$. Khẳng định việc khuếch tán chọn lọc nguyên tố đất hiếm nặng ($\text{Dy}$) tại lớp bề mặt hạt tạo nên cấu trúc vỏ lõi dị hướng cao, nâng cao trường tạo mầm đảo từ $H_N$ mà không làm suy giảm mạnh từ độ bão hòa $M_s$ của toàn khối hạt.
   • Xác định rõ vai trò của các nguyên tố pha tạp ($\text{B}$, $\text{Ti}$, $\text{Si}$, $\text{Nb}$, $\text{Al}$) trong việc gia tăng khả năng tạo vô định hình khi phun băng nguội nhanh và thúc đẩy quá trình kết tinh pha từ cứng $\text{Co}_{11}\text{Zr}2$, đồng thời kìm hãm sự phát triển của các pha từ mềm ($\text{Co}$, $\text{Co}{23}\text{Zr}_6$) trong quá trình ủ nhiệt hợp kim nền $\text{Co-Zr}$.
2. Về mặt thực tiễn:
   • Chế tạo thành công nam châm thiêu kết $\text{Nd-Fe-B}$ sử dụng lượng nhỏ $\text{Dy}$ (pha thêm $7%$ bột $\text{Dy}{30}\text{Nd}{17}\text{Pr}3\text{Al}{40}\text{Cu}{10}$) đạt thông số từ tính cao: lực kháng từ $H_c \approx 30,5\text{ kOe}$ và tích năng lượng từ cực đại $(BH){\text{max}} \approx 30,8\text{ MGOe}$, đáp ứng tiêu chuẩn làm việc trong môi trường nhiệt độ cao ($\sim 200^\circ\text{C}$) của động cơ và máy phát điện.
   • Chế tạo thành công băng hợp kim không chứa đất hiếm $\text{Co}{77}\text{Zr}{17}\text{Si}_3\text{B}3$ bằng phương pháp phun băng nguội nhanh kết hợp ủ nhiệt tại $650^\circ\text{C}$ trong 10 phút, đạt $H_c \approx 4,5\text{ kOe}$ và $(BH){\text{max}} \approx 3,5\text{ MGOe}$, có khả năng ứng dụng cho các thiết bị từ trường trung bình.
   • Toàn bộ kết quả nghiên cứu đã được công bố trong 12 công trình khoa học, bao gồm 03 bài báo trên tạp chí quốc tế thuộc danh mục ISI/Scopus, 02 bài báo trên tạp chí chuyên ngành trong nước và 07 báo cáo tại các hội nghị khoa học quốc gia và quốc tế.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

• Đưa quy trình công nghệ pha tạp bột hợp chất chứa ít $\text{Dy}$ kích thước micromet vào quy mô sản xuất bán công nghiệp để chế tạo nam châm thiêu kết $\text{Nd-Fe-B}$ chịu nhiệt độ cao phục vụ các ngành công nghiệp trong nước, giảm phụ thuộc vào nguồn nhập khẩu.
• Tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện công nghệ định hướng tinh thể và ép tạo khối cho hợp kim từ cứng $\text{Co-Zr}$ từ dạng băng nguội nhanh thành sản phẩm nam châm khối hoàn chỉnh.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu

• Tích năng lượng từ cực đại $(BH)_{\text{max}}$ của băng hợp kim không chứa đất hiếm nền $\text{Co-Zr}$ trong thực nghiệm ($3,5 - 5,2\text{ MGOe}$) vẫn còn thấp hơn đáng kể so với giá trị tính toán lý thuyết ($26\text{ MGOe}$). Nguyên nhân xuất phát từ sự tồn tại song song của các pha từ mềm, tỷ phần pha tạp chưa hoàn toàn triệt tiêu được pha ký sinh và các hạt tinh thể bị định hướng ngẫu nhiên (tính chất đẳng hướng từ) khiến từ dư $M_r$ chỉ đạt khoảng $50%$ từ độ bão hòa $M_s$.
• Phương pháp phun băng nguội nhanh đơn trục có hạn chế nội tại về tính lặp lại của độ dày băng và khả năng tạo ra sự sai khác cấu trúc giữa mặt tiếp xúc với trống đồng và mặt tự do.
• Khi tăng hàm lượng các pha tạp phi từ ($\text{Al}$, $\text{Cu}$) vào biên hạt $\text{Nd-Fe-B}$, tỷ phần pha từ cứng $\text{Nd}2\text{Fe}{14}\text{B}$ bị suy giảm dẫn đến cảm ứng từ dư $B_r$ có xu hướng giảm nhẹ.

Hướng nghiên cứu tiếp

• Nghiên cứu công nghệ tạo dị hướng từ cho hợp kim nền $\text{Co-Zr}$ bằng các kỹ thuật biến dạng dẻo nóng hoặc ủ trong từ trường nhằm nâng cao độ định hướng của trục dễ từ hóa, qua đó tăng cường từ dư $B_r$ và tích năng lượng từ cực đại $(BH)_{\text{max}}$.
• Tối ưu hóa sâu hơn kích thước hạt và tỷ lệ các nguyên tố trong hợp chất pha thêm biên hạt để cực tiểu hóa hàm lượng $\text{Dy}$ mà vẫn duy trì lực kháng từ $H_c > 30\text{ kOe}$.
• Mở rộng phạm vi đánh giá độ bền nhiệt, hệ số suy giảm từ tính theo nhiệt độ ($\alpha, \beta$) và khả năng chống ăn mòn điện hóa của nam châm trong điều kiện làm việc thực tế của động cơ điện.

---

Giá trị tham khảo

Đối tượng thụ hưởng

• Nghiên cứu sinh và học viên cao học: Chuyên ngành Khoa học vật liệu, Vật lý chất rắn, Vật liệu điện tử có tài liệu tham khảo chi tiết về cơ chế vi từ học, kỹ thuật biến tính biên hạt và công nghệ luyện kim bột cũng như kỹ thuật phun băng nguội nhanh.
• Giảng viên và nhà nghiên cứu: Dùng làm tư liệu giảng dạy thực nghiệm chuyên sâu về cấu trúc vật liệu từ cứng, phân tích giản đồ pha, phổ nhiễu xạ tia X, hiển vi điện tử quét phát xạ trường và các phép đo từ trường xung.
• Kỹ sư và nhà sản xuất linh kiện từ tính: Tham khảo các thông số công nghệ thực tế (áp suất khí nén, thời gian nghiền, nhiệt độ thiêu kết, quy trình ủ nhiệt) để ứng dụng vào dây chuyền sản xuất nam châm $\text{Nd-Fe-B}$ chịu nhiệt hoặc phát triển các dòng sản phẩm nam châm không chứa đất hiếm giá thành thấp.

Phần nội dung đáng tham khảo nhất

• Quy trình chế tạo chi tiết trong Chương 2: Hệ thống hóa chuỗi thiết bị từ khâu đập hàm, nghiền jet-milling, ép từ trường đến thiêu kết chân không và nạp từ.
• Kết quả khảo sát tại Chương 3: Số liệu thực nghiệm phân bố vi cấu trúc bằng ảnh $\text{SEM}$ và phổ $\text{EDX}$ chứng minh cơ chế hình thành lớp vỏ giàu $\text{Dy}$ bao quanh hạt $\text{Nd}2\text{Fe}{14}\text{B}$.
• Khảo sát đa hệ hợp kim tại Chương 4: Các bảng dữ liệu về ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian ủ đến lực kháng từ của các hệ băng $\text{Co-Zr-B-(Ti, Si, Nb, Al)}$.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao việc đưa Dy vào nam châm Nd-Fe-B ở dạng hợp chất pha tạp biên hạt lại ưu việt hơn so với việc hợp kim hóa khối toàn phần?

Khi đưa $\text{Dy}$ vào theo phương pháp hợp kim hóa khối thông thường, các nguyên tử $\text{Dy}$ sẽ thay thế đồng đều $\text{Nd}$ trong toàn bộ thể tích hạt $\text{Nd}2\text{Fe}{14}\text{B}$. Do tương tác phản sắt từ giữa $\text{Dy}$ và $\text{Fe}$, từ độ bão hòa $M_s$ và cảm ứng từ dư $B_r$ của nam châm bị suy giảm nghiêm trọng trên toàn bộ khối vật liệu, kéo theo sự sụt giảm của $(BH)_{\text{max}}$, đồng thời tiêu tốn một lượng lớn $\text{Dy}$ đắt tiền. Ngược lại, kỹ thuật pha tạp vào biên hạt kết hợp xử lý nhiệt giúp $\text{Dy}$ tập trung chủ yếu tại lớp vỏ mỏng ngoài rìa hạt. Cấu trúc này làm tăng trường dị hướng từ cục bộ tại đúng nơi mầm đảo từ dễ xuất hiện nhất, nâng cao mạnh trường tạo mầm $H_N$ và lực kháng từ $H_c$, trong khi lõi hạt vẫn giữ nguyên pha $\text{Nd}2\text{Fe}{14}\text{B}$ nguyên bản với từ độ bão hòa cao.

2. Vai trò cụ thể của các nguyên tố Cu và Al khi được bổ sung vào hợp chất pha thêm ở biên hạt nam châm thiêu kết Nd-Fe-B là gì?

• Đối với $\text{Cu}$: Giúp hạ thấp năng lượng tự do của pha lỏng giàu $\text{Nd}$, tăng giới hạn hòa tan của oxy và cải thiện khả năng thấm ướt giữa pha từ chính $2:14:1$ và pha lỏng biên hạt. Nhờ đó, chất lỏng giàu $\text{Nd}$ lan tỏa đồng đều trong quá trình thiêu kết, làm nhẵn bề mặt hạt, giảm ứng suất mạng và triệt tiêu các khuyết tật tạo mầm đảo từ, đồng thời ngăn cản sự hình thành của pha sắt từ mềm khi làm nguội.
• Đối với $\text{Al}$: Hỗ trợ phân bố đồng đều pha biên hạt, tăng cường sự cô lập từ tính giữa các hạt từ cứng $\text{Nd}2\text{Fe}{14}\text{B}$, ngăn chặn sự lan truyền tương tác trao đổi giữa các hạt lân cận, từ đó gia tăng lực kháng từ dù có làm giảm nhẹ nhiệt độ Curie và từ độ bão hòa của hợp chất.

3. Nguyên nhân chính khiến tích năng lượng từ cực đại của băng hợp kim nguội nhanh Co-Zr trong thực nghiệm thấp hơn nhiều so với lý thuyết là gì?

Theo lý thuyết vi từ học, hệ $\text{Co-Zr}$ có thể đạt $(BH)_{\text{max}}$ lên tới $26\text{ MGOe}$. Tuy nhiên, giá trị thực nghiệm chỉ đạt khoảng $3,5 - 5,2\text{ MGOe}$ do ba nguyên nhân chính:

1. Sự xuất hiện của các pha từ mềm như $\text{Co}$ dư và pha lập phương $\text{Co}_{23}\text{Zr}_6$ trong quá trình đông nguội hoặc ủ nhiệt không kiểm soát triệt để.
2. Tỷ lệ pha tạp nguyên tố chưa triệt tiêu hoàn toàn sự phân hủy của pha từ cứng giả bền $r\text{-Co}_{11}\text{Zr}_2$.
3. Trạng thái định hướng tinh thể ngẫu nhiên (đẳng hướng từ) của các vi hạt trong băng nguội nhanh khiến từ dư $M_r$ bị suy giảm mạnh, chỉ đạt khoảng $50%$ giá trị từ độ bão hòa $M_s$.

4. Kết quả từ tính cao nhất đạt được đối với nam châm thiêu kết Nd-Fe-B trong luận án là bao nhiêu và sử dụng hợp phần nào?

Kết quả từ tính cao nhất thu được trên nam châm thiêu kết $\text{Nd-Fe-B}$ là lực kháng từ $H_c \approx 30,5\text{ kOe}$ và tích năng lượng từ cực đại $(BH){\text{max}} \approx 30,8\text{ MGOe}$. Kết quả này đạt được khi pha thêm $7%$ tỷ phần khối lượng bột hợp chất micromet $\text{Dy}{30}\text{Nd}{17}\text{Pr}3\text{Al}{40}\text{Cu}{10}$ vào bột nền $\text{Nd}{16,5}\text{Fe}{77}\text{B}_{6,5}$, sau đó tiến hành thiêu kết và xử lý nhiệt tối ưu để hình thành lớp biên hạt cô lập và lớp vỏ giàu $\text{Dy}$.

5. Hợp kim không chứa đất hiếm nền Co-Zr đạt được tính chất từ tối ưu ở thành phần và chế độ công nghệ nào?

Băng hợp kim không chứa đất hiếm đạt tính chất từ tối ưu là $\text{Co}{77}\text{Zr}{17}\text{Si}_3\text{B}3$, được chế tạo bằng phương pháp phun băng nguội nhanh đơn trục và xử lý nhiệt ủ ở nhiệt độ $650^\circ\text{C}$ trong thời gian 10 phút. Mẫu đạt lực kháng từ $H_c \approx 4,5\text{ kOe}$ và tích năng lượng từ cực đại $(BH){\text{max}} \approx 3,5\text{ MGOe}$.

---

Kết luận

Luận án của tác giả Nguyễn Văn Dương đã giải quyết thành công các vấn đề kỹ thuật thực nghiệm trong việc nâng cao lực kháng từ của hai hệ vật liệu từ cứng then chốt là $\text{Nd-Fe-B}$ và $\text{Co-Zr}$. Thông qua kỹ thuật pha tạp hợp chất chứa ít $\text{Dy}$ vào biên hạt, nghiên cứu đã tạo ra nam châm thiêu kết $\text{Nd-Fe-B}$ có lực kháng từ đạt $30,5\text{ kOe}$ và $(BH){\text{max}}$ đạt $30,8\text{ MGOe}$, đáp ứng yêu cầu làm việc ở nhiệt độ cao của động cơ điện và máy phát. Đồng thời, luận án đã làm chủ công nghệ phun băng nguội nhanh và xử lý nhiệt để chế tạo hợp kim không chứa đất hiếm $\text{Co}{77}\text{Zr}_{17}\text{Si}_3\text{B}_3$ đạt $H_c \approx 4,5\text{ kOe}$, mở ra tiềm năng thay thế nam châm đất hiếm trong các ứng dụng từ trường trung bình. Các phát hiện về sự hình thành lớp vỏ dị hướng từ và cơ chế kìm hãm pha từ mềm cung cấp cơ sở khoa học tin cậy cho sự phát triển của ngành vật liệu từ tại Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU TỪ CỨNG NỀN Nd-Fe-B VÀ Co-Zr 1. Lịch sử phát triển của vật liệu từ cứng Thông số từ quan trọng để đánh giá chất lượng của nam châm từ cứng đó là tích năng lượng từ cực đại (BH)max. Khoảng vài thập kỷ trước đây, tích năng lượng từ cực đại được đánh dấu bởi sự tăng vượt trội so với các vật liệu trước đó như AlNiCo dị hướng ( 10 MGOe) hay ferit từ cứng ( 4 MGOe) [24] khi khám phá ra các hợp kim từ cứng nền đất hiếm.

Sự kết hợp của nguyên tố đất hiếm (RE) có tính dị hướng từ tinh thể mạnh cho lực kháng từ Hc lớn và kim loại chuyển tiếp (TM) cho từ độ bão hoà Ms và nhiệt độ chuyển pha Curie (TC) cao nên đây là hệ vật liệu hứa hẹn cho tính chất từ cứng tốt. Hợp chất nền đất hiếm đầu tiên có hằng số dị hướng từ lớn nhất đuợc công bố vào năm 1966 là YCo5 [25]. Sau đó, vật liệu SmCo5 với tích năng lượng từ cực đại (BH)max cỡ 20 MGOe và Sm2Co17 có tích năng lượng từ cực đại (BH)max cỡ 30 MGOe đã trở thành nam châm đất hiếm đầu tiên có giá trị thương mại vào năm 1967 và 1976 [26, 27]. Tuy nhiên, nhược điểm của NCVC nền Sm-Co là quá trình xử lý nhiệt phức tạp cùng giá thành cao của Sm và Co.

Chính vì vây, việc nghiên cứu các vật liệu mới chứa ít hoặc không chứa Co đã được đẩy mạnh. Hệ hợp kim nền Nd-Fe được chú ý, do Fe và Nd có trữ luợng lớn ở vỏ Trái đất và mômen từ nguyên tử cao. Sự phát triển của NCVC trong thế kỷ XX [28]. LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 7 Việc không tồn tại hỗn hợp hai thành phần nền Fe dẫn đến xuất hiện một pha hợp kim ba thành phần cực kỳ quan trọng Nd2Fe14B.

Kết quả đầu tiên về nam châm đất hiếm nền Nd-Fe-B được công bố đồng thời của hai nhóm nghiên cứu ở Mỹ (Croat) và ở Nhật (Sagawa) và cộng sự [29, 30]. Đặc biệt, năm 1988, Coehoorn và các cộng sự ở Phòng thí nghiệm Philip Research đã chế tạo vật liệu nanocomposite với tích năng lượng từ cực đại (BH)max cỡ 12 MGOe [31]. Theo lý thuyết, tương tác trao đổi đàn hồi giữa pha cứng và pha mềm ở kích thước nanomet có thể tạo ra nam châm có tích năng lượng từ cực đại (BH)max trên 100 MGOe. Cho đến nay, hai phương pháp cơ bản chế tạo NCVC nền Nd-Fe-B là phương pháp thiêu kết và phương pháp kết dính.

Nam châm kết dính có tích năng lượng từ cực đại (BH)max đạt trên 10 MGOe, công nghệ chế tạo tương đối đơn giản và dễ dàng tạo hình dạng phức tạp theo yêu cầu. Tuy nhiên, trong các ứng dụng đòi hỏi lực kháng từ lớn như động cơ, máy phát điện. thì nam châm thiêu kết là loại nam châm khó có thể thay thế bằng các loại khác. VLTC không chứa đất hiếm nền Co-Zr đã được phát hiện từ những năm 60 của thế kỷ XX và được nghiên cứu một cách có hệ thống bởi Pechin và cộng sự [32].

Sau đó, có rất nhiều nghiên cứu đã dành cho hợp kim giàu Co. Một thập kỷ trước, sự quan tâm đáng chú ý đến pha từ trong hệ hợp kim này tăng lên bởi tính chất từ cứng của các băng nguội nhanh Co-Zr-(B) [33-37]. Có hai hợp chất sắt từ đã được phát hiện trong hợp kim Co-Zr. Một trong số đó là pha Co23Zr6 với cấu trúc lập phương tâm mặt (tại nồng độ Zr là 20,7%).

Loại khác ban đầu được báo cáo [32] là Co11Zr2 (tại nồng độ Zr là 15,4%) sau đó còn được coi là pha từ cứng Co5Zr [38] (tại nồng độ Zr là 16,4%). Pha từ cứng Co11Zr2 có dị hướng từ tinh thể cỡ 35 kOe [36, 38] được cho là nguyên nhân gây ra tính từ cứng trong các hợp kim nguội nhanh này. Mặc dù các tính chất từ thu được với hợp kim này chưa thể so sánh với nam châm Nd-Fe-B nhưng hợp kim có các tính chất từ tốt như nhiệt độ Curie cao khoảng 783 K [34, 36, 38], từ độ bão hòa lớn (cỡ 9,7 kG) và khả năng chống ăn mòn tốt. Vì vậy, chúng vẫn đang được quan tâm nghiên cứu [21, 39-42] và là ứng cử viên tốt cho nam châm có lực kháng từ và tích năng lượng từ cực đại ở mức trung bình và có thể ứng dụng chúng trong một số lĩnh vực của đời sống.

LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Cấu trúc và tính chất từ của vật liệu từ cứng nền Nd-Fe-B và Co-Zr 1. Cấu trúc và tính chất từ của vật liệu từ cứng nền Nd-Fe-B 1. Cấu trúc Nam châm thiêu kết Nd-Fe-B là vật liệu có cấu trúc đa pha, trong đó pha quyết định tính chất từ và có tỉ phần lớn nhất là pha nền Nd2Fe14B () (gọi tắt là pha 2:14:1) với kích thước vài micromet.

Ngoài ra còn có pha giàu Nd phân bố ở biên hạt với nhiệt độ nóng chảy thấp và một lượng nhỏ pha giàu B là Nd1+Fe4B4 (). Các pha khác như pha giàu Fe, ôxit Nd và lỗ rỗng (pore) đã được tìm thấy, phụ thuộc vào thành phần và các tham số trong quá trình chế tạo [43]. Các hạt có kích thước lớn là của pha từ cứng Nd2Fe14B. Giữa các hạt 2:14:1 là lớp biên hạt giàu Nd rất mỏng, xen lẫn các hạt ôxit Nd.

Tính chất của nam châm thiêu kết không chỉ phụ thuộc vào tính chất từ nội tại của pha từ cứng mà còn phụ thuộc vào vi cấu trúc của vật liệu. Vi cấu trúc của nam châm thiêu kết Nd-Fe-B [44]. Theo nghiên cứu của L. Yu và các cộng sự, việc tạo được nam châm thiêu kết Nd-Fe-B có vi cấu trúc tối ưu với các hạt 2:14:1 đồng đều, độ định hướng cao và được ngăn cách bởi lớp biên hạt giàu Nd mỏng, nhẵn (hình 1.4) sẽ cho thông số từ mong muốn [6].

LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Vi cấu trúc điển hình của nam Hình 1. Ảnh lớp mỏng pha giàu Nd châm thiêu kết Nd-Fe-B với trục c định giữa các hạt. hướng song song [6].

Cấu trúc tinh thể pha Nd2Fe14B (a), nguyên tử B và 6 nguyên tử Fe (vị trí e và k1) tạo thành hình lăng trụ đứng đáy tam giác (b) [45]. Cấu trúc tinh thể của pha từ cứng Nd2Fe14B được thể hiện trên hình 1. Các nguyên tử Fe và đất hiếm tạo thành hợp chất nhị nguyên với từ độ bão hòa cao do sự LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 10 ghép đôi của các mômen từ [30]. Có rất nhiều nỗ lực vào đầu những năm 80 của các nhà khoa học để tìm kiếm một pha bền với dị hướng đơn trục và cuối cùng pha ba nguyên Nd2Fe14B được tìm thấy.

Việc tạo được pha Nd2Fe14B đòi hỏi quá trình cô đặc nhanh chóng. Nếu quá trình cô đặc quá lâu, sắt có xu hướng tách riêng thành pha α-Fe. Hợp thức chính xác và cấu trúc tinh thể của Nd2Fe14B được tìm ra một cách độc lập và đồng thời bởi ba nhóm nghiên cứu vào năm 1984 (Givord, Herbst và Shoemaker cùng các cộng sự) [45]. Nd2Fe14B có cấu trúc tinh thể tứ giác với hằng số mạng a = 0,88 nm và c = 1,22 nm, thuộc nhóm không gian P42/mnm, khối lượng riêng 7,55 g/cm3.5 cho thấy ô cơ sở của Nd2Fe14B chứa 4 đơn vị công thức với 68 nguyên tử.

Các nguyên tử Nd chiếm 2 vị trí (ký hiệu là Nd f, Nd g) không tương đương, các nguyên tử Fe chiếm 6 vị trí (ký hiệu là Fe c, Fe e, Fe j1, Fe j2, Fe k1, Fe k2), các nguyên tử B chiếm vị trí B g. Trên mặt phẳng cơ sở z = 0 và z = 1/2 chứa tất cả các nguyên tử Nd và B cùng 4 nguyên tử Fe ở (vị trí Fe c). Mỗi nguyên tử B kết hợp với 6 nguyên tử Fe (ở vị trí Fe e và Fe k1) gần nó nhất tạo hình lăng trụ đáy tam giác. Các lăng trụ này nối với lớp Fe ở bên trên và bên dưới các mặt phẳng cơ sở.

Cấu trúc tinh thể với độ bất đối xứng rất cao tạo ra dị hướng từ tinh thể lớn của vật liệu này. Thông thường, phần lớn các nam châm đều chứa pha phi từ, chúng đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra nam châm có phẩm chất từ tốt [6]. Đối với nam châm thiêu kết Nd-Fe-B, pha phi từ giàu Nd được phân bố chủ yếu dọc theo biên của các hạt Nd2Fe14B. Pha này không chỉ có vai trò quan trọng cho sự kết dính trong suốt quá trình thiêu kết mà còn là yếu tố ảnh hưởng đáng kể đến sự cải thiện lực kháng từ của nam châm Nd-Fe-B khi được XLN.

Bởi vì, sự hình thành của pha giàu Nd ở biên hạt (vùng màu trắng như trong hình 1.4) giúp cô lập các hạt từ cứng và ngăn cản tương tác từ giữa chúng. Nếu các hạt được cô lập tốt, quá trình đảo từ khó lan truyền từ hạt này tới hạt khác. Thay vào đó, sự đảo chiều từ độ cần mầm của đômen đảo trong mỗi hạt và quá trình đảo từ cần từ trường lớn hơn (lực kháng từ cao). Theo một số nghiên cứu, pha giàu Nd thể hiện cấu trúc tinh thể phức tạp và thường chứa cả pha ôxit do Nd là nguyên tố rất dễ bị ôxy hóa [46-49].

LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Tính chất từ Tính chất từ của nam châm phụ thuộc vào tham số từ nội tại và tham số ngoại lai. Tham số từ nội tại như từ độ tự phát, nhiệt độ Curie và dị hướng từ. được quyết định bởi mômen từ của các nguyên tử và tương tác giữa chúng trong mạng tinh thể.

Trong khi đó, tham số từ ngoại lai là các tính chất liên quan đến đặc trưng từ trễ như lực kháng từ, từ dư, độ vuông đường trễ và tích năng lượng từ cực đại. được quyết định bởi vi cấu trúc tức là hình dạng, kích thước, độ đồng nhất, sự phân bố và liên kết (biên hạt) của các hạt trong vật liệu. Trong nam châm thiêu kết, tính từ cứng được quyết định bởi pha tinh thể Nd2Fe14B. Pha Nd2Fe14B có dị hướng từ tinh thể HA = 75 kOe, sự định hướng song song của hai phân mạng Nd và Fe trong pha Nd2Fe14B đã tạo ra từ độ bão hòa lớn ở nhiệt độ phòng, đạt tới 16 kG.

Đây là giá trị từ độ lớn nhất trong các liên kim loại đất hiếm sử dụng làm NCVC [50]. Đồng thời, nam châm này có khả năng cho từ dư lên tới 14 kG. Tuy nhiên, do tương tác trao đổi sắt từ Fe-Fe tương đối yếu nên nhiệt độ Curie của hợp chất Nd2Fe14B là khá thấp, TC ~ 585 K (312oC).