Nghiên cứu nâng cao lực kháng từ của hợp kim nền NdFeB và CoZr trong luận án tiến sĩ

Luận án tiến sĩ nghiên cứu phương pháp nâng cao lực kháng từ của hợp kim nền NdFeB và CoZr, ứng dụng trong công nghệ vật liệu từ tính hiện đại.

• 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

Tóm tắt

I. Lực kháng từ và hợp kim nền NdFeB

Lực kháng từ là một trong những yếu tố quan trọng quyết định hiệu suất của vật liệu từ tính, đặc biệt là hợp kim nền NdFeB. Trong luận án tiến sĩ, nghiên cứu tập trung vào việc nâng cao lực kháng từ thông qua việc tối ưu hóa cấu trúc và thành phần của hợp kim nền NdFeB. Các phương pháp như pha tạp nguyên tố đất hiếm nặng (Dy) và điều chỉnh tính chất từ học đã được áp dụng để cải thiện độ từ hóa và tính chất cơ lý của vật liệu. Kết quả cho thấy, việc thêm Dy vào hợp kim nền NdFeB giúp tăng lực kháng từ lên đáng kể, mở rộng phạm vi ứng dụng trong các thiết bị công nghiệp.

1.1. Cấu trúc và tính chất từ học của hợp kim nền NdFeB

Hợp kim nền NdFeB có cấu trúc tinh thể phức tạp, với pha chính là Nd2Fe14B. Pha này quyết định tính chất từ học của vật liệu. Nghiên cứu chỉ ra rằng, việc tối ưu hóa kích thước hạt và phân bố pha giàu Nd trong hợp kim nền NdFeB giúp cải thiện lực kháng từ. Các phương pháp như nghiên cứu khoa học và công nghệ vật liệu đã được sử dụng để phân tích cấu trúc vi mô và tính chất điện từ của vật liệu. Kết quả cho thấy, việc kiểm soát quá trình thiêu kết và xử lý nhiệt là yếu tố then chốt để đạt được tính chất từ học tối ưu.

1.2. Ứng dụng công nghiệp của hợp kim nền NdFeB

Hợp kim nền NdFeB được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị công nghiệp như động cơ điện, máy phát điện và hệ thống lưu trữ năng lượng. Việc nâng cao lực kháng từ giúp mở rộng phạm vi ứng dụng của vật liệu này trong các môi trường nhiệt độ cao. Nghiên cứu trong luận án tiến sĩ đã chứng minh rằng, việc pha tạp Dy và tối ưu hóa quy trình chế tạo có thể cải thiện hiệu suất của hợp kim nền NdFeB trong các ứng dụng công nghiệp đòi hỏi độ bền nhiệt cao.

II. Hợp kim nền CoZr và tính chất từ học

Hợp kim nền CoZr là một vật liệu từ tính quan trọng, được nghiên cứu để cải thiện lực kháng từ và tính chất điện từ. Trong luận án tiến sĩ, các phương pháp như pha tạp nguyên tố và điều chỉnh từ trường đã được áp dụng để tối ưu hóa tính chất từ học của hợp kim nền CoZr. Kết quả cho thấy, việc thêm các nguyên tố như B và Si vào hợp kim nền CoZr giúp tăng lực kháng từ và cải thiện độ từ hóa. Nghiên cứu này có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển các vật liệu từ tính mới cho khoa học vật liệu và công nghệ vật liệu.

2.1. Cấu trúc và tính chất từ học của hợp kim nền CoZr

Hợp kim nền CoZr có cấu trúc tinh thể đơn giản hơn so với hợp kim nền NdFeB, nhưng vẫn đảm bảo tính chất từ học ổn định. Nghiên cứu trong luận án tiến sĩ đã tập trung vào việc tối ưu hóa cấu trúc vi mô và tính chất cơ lý của hợp kim nền CoZr thông qua các phương pháp như phun băng nguội nhanh và xử lý nhiệt. Kết quả cho thấy, việc kiểm soát quá trình kết tinh và phân bố pha là yếu tố quan trọng để đạt được tính chất từ học tối ưu.

2.2. Ứng dụng công nghiệp của hợp kim nền CoZr

Hợp kim nền CoZr được sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp như cảm biến từ, thiết bị lưu trữ dữ liệu và hệ thống điều khiển từ xa. Việc nâng cao lực kháng từ và tính chất điện từ của hợp kim nền CoZr giúp cải thiện hiệu suất của các thiết bị này. Nghiên cứu trong luận án tiến sĩ đã chứng minh rằng, việc pha tạp các nguyên tố như B và Si có thể mở rộng phạm vi ứng dụng của hợp kim nền CoZr trong các ứng dụng công nghiệp đòi hỏi độ chính xác cao.

III. Tối ưu hóa vật liệu từ tính

Tối ưu hóa vật liệu từ tính là một trong những mục tiêu chính của luận án tiến sĩ. Nghiên cứu tập trung vào việc cải thiện lực kháng từ và tính chất từ học của cả hợp kim nền NdFeB và hợp kim nền CoZr thông qua các phương pháp như pha tạp nguyên tố, điều chỉnh từ trường và tối ưu hóa quy trình chế tạo. Kết quả cho thấy, việc kết hợp các phương pháp này giúp đạt được tính chất từ học tối ưu, mở rộng phạm vi ứng dụng của vật liệu trong các ứng dụng công nghiệp và khoa học vật liệu.

3.1. Phương pháp pha tạp nguyên tố

Pha tạp nguyên tố là một trong những phương pháp hiệu quả để cải thiện lực kháng từ và tính chất từ học của vật liệu. Trong luận án tiến sĩ, các nguyên tố như Dy, B và Si đã được sử dụng để pha tạp vào hợp kim nền NdFeB và hợp kim nền CoZr. Kết quả cho thấy, việc pha tạp các nguyên tố này giúp tăng lực kháng từ và cải thiện độ từ hóa của vật liệu, đồng thời duy trì tính chất cơ lý ổn định.

3.2. Tối ưu hóa quy trình chế tạo

Tối ưu hóa quy trình chế tạo là yếu tố quan trọng để đạt được tính chất từ học tối ưu của vật liệu. Trong luận án tiến sĩ, các quy trình như thiêu kết, xử lý nhiệt và phun băng nguội nhanh đã được tối ưu hóa để cải thiện lực kháng từ và tính chất điện từ của hợp kim nền NdFeB và hợp kim nền CoZr. Kết quả cho thấy, việc kiểm soát chặt chẽ các thông số công nghệ giúp đạt được tính chất từ học tối ưu, mở rộng phạm vi ứng dụng của vật liệu trong các ứng dụng công nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. Tổng quan về về vật liệu từ cứng nền Nd-Fe-B và Co-Zr. Kỹ thuật thực nghiệm. Nâng cao lực kháng từ của nam châm thiêu kết Nd-Fe-B bằng cách pha tạp vào biên hạt.

Nâng cao lực kháng từ của hợp kim nền Co-Zr bằng cách pha tạp và thay đổi điều kiện công nghê. Các kết quả nghiên cứu của luận án được công bố trong 12 công trình khoa học, bao gồm 03 bài báo đăng trên tạp chí quốc tế (ISI/Scopus), 02 bài báo đăng trên tạp chí trong nước, 07 bài báo cáo tại Hội nghị trong nước và quốc tế. Kết quả chính của luận án: i) Đã chế tạo và khảo sát ảnh hưởng của các hợp chất pha thêm (Dy-Nd-Al, Nd-Al, Nd-Cu-Al…) lên cấu trúc và tính chất từ của nam châm thiêu kết Nd-Fe-B. ii) Đã chế tạo được nam châm thiêu kết Nd-Fe-B có lực kháng từ cao, Hc cỡ 30,5 kOe, tích năng lượng từ cực đại đủ lớn, (BH)max cỡ 30,8 MGOe, có thể đáp ứng trong các thiết bị có nhiệt độ hoạt động cao như mô tơ, máy phát.

5 iii) Đã chế tạo và khảo sát ảnh hưởng của các nguyên tố pha tạp và điều kiện công nghệ lên cấu trúc và tính chất từ của các hợp kim: Co-Zr, Co-Zr-B và Co-Zr-(Ti, Si, Nb, Al)-B; Lực kháng từ Hc cỡ 4,5 kOe, tích năng lượng từ cực đại (BH)max cỡ 3,5 MGOe đã thu được đối với các băng hợp kim Co77Zr17Si3B3 có thể ứng dụng trong một số lĩnh vực thực tế. Luận án 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. 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].

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. 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].

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 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).