Mở đầu Chƣơng 1: Tổng quan Chƣơng 2: Các kỹ thuật thực nghiệm Chƣơng 3: Kết quả và thảo luận Kết luận Tài liệu tham khảo Danh mục công trình công bố 3 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN Trong chương này chúng tôi trình bày những nét cơ bản về giản đồ pha, cấu trúc tinh thể, các tính chất từ cũng như một vài phương pháp tổng hợp vật liệu Fe-Co có kích thước nano mét. Giản đồ pha của Fe-Co Giản đồ pha (còn gọi là giản đồ trạng thái hay giản đồ cân bằng) của một hệ là công cụ để biểu thị mối quan hệ giữa nhiệt độ, thành phần và tỷ lệ các pha của hệ đó ở trạng thái cân bằng. Giản đồ pha cũng là cách biểu diễn quá trình kết tinh của hợp kim, ở đó các loại pha được kết tinh từ dung dịch [7]. Khái niệm pha được hiểu là những phần đồng nhất của hợp kim (còn được gọi là hệ) ở điều kiện cân bằng trong cùng một trạng thái (có thể là lỏng, rắn hay khí) và ngăn cách với các phần còn lại (tức với các pha khác) bằng bề mặt phân chia.
Một pha trong trạng thái rắn phải có cùng kiểu mạng và thông số mạng. Một số hợp kim sẽ tồn tại dưới dạng dung dịch rắn mất trật tự, trong đó vị trí các ion kim loại được định xứ ngẫu nhiên trong mạng tinh thể. Một tinh thể hoàn thiện là tinh thể mà trong đó các nguyên tử được phân bố vào đúng vị trí mạng cơ sở của nó một cách có trật tự. Khi nhiệt độ tăng lên thì các nguyên tử ở các mạng lưới dao động mạnh dần và có thể rời khỏi vị trí của nó để đi vào các hốc trống giữa các nút mạng, còn vị trí nút mạng trở thành lỗ trống và lúc này mạng lưới tinh thể sẽ trở thành mất trật tự [7].
Phân tích ví dụ hình 1.1 b và c về giản đồ cấu trúc của hợp kim Fe-Pt cho thấy cấu trúc trật tự L12 và cấu trúc bất trật tự lập phương tâm mặt A1, nhận thấy rằng ở hình 1.1 b pha trật tự các nguyên tử của một loại nguyên tố chỉ chiếm vị trí tại các đỉnh hoặc các mặt của khối lập phương. Trong khi đó với cấu trúc mất trật tự như ở hình 1.1 c các ion của hai nguyên tố Fe và Pt có thể chiếm chỗ tại các đỉnh hoặc tâm mặt của hình lập phương. Giản đồ minh họa a) cấu trúc L10; b) cấu trúc trật tự L12 và c) pha bất trật tự A1 của hợp kim Fe-Pt [29] Nguyên tử Co (%) T(0C) Khối lượng Co (%) Hình 1. Giản đồ pha của Fe-Co [14] Giản đồ pha của Fe-Co được biểu diễn trên hình 1.
Từ giản đồ này có thể thấy Fe và Co tạo nên hệ dung dịch rắn mất trật tự fcc (γ) ở nhiệt độ cao. Ở nhiệt độ trên 7300C với Co chiếm ~ 75% khối lượng thì hợp chất này tồn tại ở trạng thái dung dịch rắn bcc (α). Dưới nhiệt độ 7300C, tồn tại dạng bcc (α) với thành phần nguyên tố cân 5 bằng nhau (trật tự nguyên tử theo dạng cấu trúc của CsCl (α1)). Sự chuyển đổi từ pha trật tự - bất trật tự đóng một vai trò quan trọng trong việc xác định tính chất từ và phẩm chất cơ học của vật liệu [14].
Hợp kim Fe-Co được xem là vật liệu có giá trị từ độ bão hòa cao nhất trong số các vật liệu sắt từ đã biết. Mặc dù Co có mômen từ nguyên tử thấp hơn của Fe, nhưng khi được thay bởi Co sẽ làm tăng từ độ của hợp kim.3 chỉ ra sự thay đổi của mô men từ bão hòa ở nhiệt độ phòng của Fe theo hàm lượng Co được đưa vào, cho thấy giá trị lớn nhất đạt được là 240 emu/g khi Co chiếm là 35% khối lượng trong hợp kim. Tuy nhiên, độ từ thẩm cao nhất đạt được khi tỉ phần của hợp kim Fe/Co = 50/50 [14]. Sự thay đổi của từ độ bão hòa của hợp kim Fe-Co theo tỉ lệ Co [14].
Cấu trúc tinh thể của Fe-Co Fe kim loại thường tồn tại dưới 2 dạng cấu trúc lập phương tâm khối (bcc) và lập phương tâm mặt (fcc), trong khi đó Co tồn tại dưới hai dạng cấu trúc lục giác xếp chặt (hcp) và fcc. Cấu trúc tinh thể có một tác động đáng kể đến tính chất từ. Khi hợp kim giàu Fe, chúng được hình thành ở pha bcc do quá trình kết tinh của hợp kim. Thay thế Co cho 6 Fe trong các hợp kim có thể tạo ra một pha α-FeCo với cấu trúc B2 (pha trật tự) và với hợp kim giàu Co được tìm thấy có cả cấu trúc fcc và hcp trong quá trình kết tinh của hợp kim.
Năng lượng cao của quá trình nghiền tạo ra trạng thái tinh thể giả bền (không cân bằng) với sự tồn tại đồng thời của các pha bcc, hcp, fcc [30]. bcc fcc hcp Hình 1. Các dạng cấu trúc tinh thể của Fe (bcc, fcc) và Co (hcp, fcc). Hằng số mạng cho hai dạng cấu trúc fcc và bcc của sắt lần lượt là 3,515 Å và 2,87 Å.
Với Co cấu trúc hcp (α-Co) thì a = 2,51 Å và c = 4,07 Å trong khi đó cấu trúc fcc (β-Co) có hằng số mạng là 3,55 Å. Các tính chất từ [3, 5, 6] Hợp kim Fe-Co là vật liệu từ mềm điển hình với các đặc trưng [3]: - Từ độ bão hòa Ms cao, - Lực kháng từ Hc nhỏ, - Độ từ thẩm cao, - Nhiệt độ Curie cao, - Dị hướng thấp (vật liệu dễ từ hóa hơn). Đường cong từ trễ của vật liệu từ mềm. Từ độ bão hòa [3] Từ độ bão hòa là giá trị từ độ khi được từ hóa đến từ trường đủ lớn (vượt qua giá trị trường dị hướng) sao cho vật liệu ở trạng thái bão hòa từ, có nghĩa là các mômen từ hoàn toàn song song với nhau.
Từ độ bão hòa là tham số đặc trưng của vật liệu sắt từ. Nếu ở không độ tuyệt đối (0 K) thì nó là giá trị từ độ tự phát của chất sắt từ. Vật liệu là từ mềm có từ độ bão hòa cao và hợp kim Fe-Co được biết đến là vật liệu từ mềm có từ độ bão hòa cao nhất hiện nay (240 emu/g). Lực kháng từ [3] Lực kháng từ là từ trường ngoài cần thiết để một hệ, sau khi đạt trạng thái bão hòa từ, bị khử từ.
Lực kháng từ chỉ tồn tại ở các vật liệu có trật tự từ (sắt từ, feri từ,.) và thường được xác định từ đường cong từ trễ. Người ta có thể phân loại các loại vật liêu từ qua giá trị lực kháng từ, trong cách phân loại này vật liệu từ cứng có lực kháng từ lớn và vật liệu sắt từ mềm có lực kháng từ nhỏ. Sự liên quan giữa từ trường (H), cảm ứng từ (B), và từ độ (M) được biểu diễn bằng công thức: B = μ0.1) Do đó, sẽ xuất hiện hai loại giá trị lực kháng từ: i. Lực kháng từ liên quan đến từ độ ( H cM ): là giá trị của lực kháng từ, cho phép triệt tiêu từ độ của mẫu.
Giá trị này mang tính chất chung, không phụ thuộc vào hình dạng vật từ, và trong kỹ thuật thường được kí hiệu là H cM. Thông thường, nói đến lực kháng từ là nói đến khái niệm này. Lực kháng từ liên quan đến cảm ứng từ ( H cB ): là giá trị của lực kháng từ cho phép triệt tiêu cảm ứng từ của mẫu. Giá trị này mang tính chất kỹ thuật, phụ thuộc vào hình dạng mẫu (do được bổ sung yếu tố dị hướng hình dạng của mẫu khi đo).
Đối với các vật liệu có lực kháng từ nhỏ, sự sai khác giữa hai đại lượng này không đáng kể, sự sai khác này chỉ trở lên đáng kể đối với các vật liệu từ cứng. 8 Cơ chế tạo lực kháng từ liên quan đến cơ chế từ hóa và đảo từ của vật liệu, hay nói cách khác là liên quan đến sự thay đổi của cấu trúc từ và bị ảnh hưởng mạnh bởi cấu trúc hạt của vật liệu. Trình bày rõ hơn về đường cong từ hóa ban đầu: Đƣờng cong từ hóa Phân tích đường cong M(H), có thể phân chia thành ba giai đoạn quá trình từ hóa mẫu. Giai đoạn 1: dịch chuyển vách đomen (thuận nghịch và không thuận nghịch) tương ứng với đường OB trên đồ thị hình 1.
Giai đoạn 2: các momen từ quay theo hướng từ trường ngoài, đoạn BC. Giai đoạn 3: quá trình thuận, sự tăng momen từ sau khi đạt giá trị bão hòa (H > Hs). Đường cong từ hóa ban đầu của sắt từ. Nhiệt độ Curie Nhiệt độ Curie, thường được kí hiệu là Tc là nhiệt độ chuyển pha trong các vật liệu sắt từ, được đặt theo tên nhà vật lý học người Pháp Pierre Curie (1859-1906).
Nhiệt độ Curie trong các chất sắt từ là nhiệt độ chuyển pha sắt từ - thuận từ. Ở dưới nhiệt độ này vật liệu mang tính sắt từ, còn khi ở trên nhiệt độ này vật liệu trở thành thuận từ. Nhiệt độ Curie tỉ lệ với số phối vị (số lân cận gần nhất), tích phân trao đổi của vật liệu theo công thức: 9 Z .2) 2k B Trong đó, Z là số lân cận gần nhất, Eex là năng lượng tích phân trao đổi, kB là hằng số Boltzman. Ở trên nhiệt độ Curie, độ cảm từ của chất phụ thuộc nhiệt độ tuân theo định luật Curie: C (1.3) T TC Chuyển pha tại nhiệt độ Curie là chuyển pha loại hai, tức là chuyển pha không có sự thay đổi về cấu trúc.
Nhiệt độ Curie của một số vật liệu sắt từ Vật liệu Tc (K) Sắt 1043 K Coban 1388 K Niken 627 K Gađôli 292,5 K 1. Dị hướng từ [5, 6] Dị hướng từ là một đặc tính của vật liệu từ, dùng để mô tả sự định hướng ưu tiên của từ độ tự phát theo một hướng của tinh thể và hệ quả của dị hướng là tạo ra các trục từ hóa dễ và các trục từ hóa khó. Nguồn gốc của dị hướng từ liên quan đến các dạng năng lượng cơ bản xác định trạng thái từ của vật liệu, trong đó phải kể đến năng lượng dị hướng từ tinh thể, dị hướng bề mặt,. Dị hướng từ tinh thể [6] Dị hướng từ tinh thể là dạng năng lượng có nguồn gốc liên quan đến tính đối xứng tinh thể và sự định hướng của mô men từ.
Trạng thái bão hòa từ theo trục nào đó đạt được trong từ trường thấp thì trục đó được gọi là trục từ hóa dễ và ngược lại để đạt tới trạng thái bão hòa theo một trục cần có từ trường cao thì đó là trục khó từ hóa. Dị hướng từ tinh thể của Fe Hình 1.
