luận án nghiên cứu chế tạo hợp kim từ cứng nền nd-fe-b cấu trúc nanomet bằng phương pháp nguội nhanh và nghiền cơ năng lượng cao

Khả năng tích trữ nănglượng đó được đặc trưng bằng đại lượng tích năng lượng cực đại BHmax của vật liệu.VLTC được ứng dụng từ rất lâu và trong rất nhiều lĩnh vực của cuộc sống: Kim la bà

MỞ ĐẦU

Vật liệu từ cứng (VLTC) là vật liệu có khả năng tích trữ năng lượng của từtrường tác động lên nó và trở thành nguồn phát từ trường Khả năng tích trữ nănglượng đó được đặc trưng bằng đại lượng tích năng lượng cực đại (BH)max của vật liệu.VLTC được ứng dụng từ rất lâu và trong rất nhiều lĩnh vực của cuộc sống: Kim la bàn,cửa tủ lạnh, ổ cứng máy tính, mô tơ, máy phát điện, máy tuyển quặng, thiết bị khoa học

kỹ thuật, thiết bị y tế… Tiềm năng ứng dụng lớn đã thúc đẩy sự tìm kiếm vật liệu mới

và công nghệ chế tạo mới, nhằm tạo ra những vật liệu có tính chất từ tốt hơn đáp ứngđược các yêu cầu của cuộc sống hiện đại Một trong các VLTC được các nhà khoa họcquan tâm nghiên cứu nhiều hiện nay là vật liệu nanocomposite nền Nd-Fe-B

VLTC nanocomposite nền Nd-Fe-B bao gồm các pha từ mềm (Fe3B, -Fe) vàpha từ cứng (Nd2Fe14B) có kích thước nanomet [25] Ở kích thước này, hiệu ứng tươngtác trao đổi đàn hồi giữa pha từ cứng và pha từ mềm cho phép khai thác được cả từ độbão hòa lớn của pha từ mềm và lực kháng từ cao của pha từ cứng, để tạo nên một vậtliệu có tích năng lượng (BH)max lớn Loại vật liệu này có thể chỉ cần một lượng Ndbằng khoảng 1/3 so với nam châm thiêu kết Nd2Fe14B thông thường, nên làm tăng độbền cơ học, hóa học và giảm đáng kể giá thành Mặt khác, công nghệ chế tạo cũng đơngiản hơn và dễ dàng tạo được nam châm có hình dạng phức tạp theo yêu cầu Vớinhững ưu điểm đó, nó được nhiều phòng thí nghiệm quan tâm nghiên cứu, nên tốc độtăng trưởng hàng năm khoảng 20% cao hơn cả tốc độ tăng trưởng của nam châm thiêukết [56] Tuy nhiên, VLTC nanocomposite nền Nd-Fe-B vẫn còn một số yếu điểm cầnđược khắc phục như lực kháng từ Hc chưa cao, tích năng lượng cực đại (BH)max thực tếnhỏ hơn 20 MGOe còn cách xa giới hạn lý thuyết (theo lý thuyết (BH)max đạt trên 100MGOe), nhiệt độ Curie thấp và công nghệ chế tạo chưa ổn định Điều đó đặt ra là làmcách nào để nâng cao được tính chất từ và ổn định công nghệ chế tạo vật liệu

Tính chất từ của VLTC nanocomposite nền Nd-Fe-B được quyết định rất nhiềubởi kích thước hạt, dạng hạt, sự phân bố hạt trong vật liệu và bản chất pha từ của hạt.Cấu trúc lý tưởng của các VLTC này là các pha từ mềm nằm xen kẽ, bao bọc các pha

từ cứng một cách đồng đều Tuy vậy, để chế tạo được vi cấu trúc như vậy là điềukhông dễ dàng Tính chất từ của VLTC nanocomposite nền Nd-Fe-B còn phụ thuộcvào bản chất của các pha từ thành phần (từ độ bão hòa, dị hướng từ tinh thể…) Hiệnnay, có hai hướng nghiên cứu chính nhằm cải thiện cấu trúc, nâng cao phẩm chất củavật liệu: một là bổ sung vào hợp kim nền Nd-Fe-B một số nguyên tố khác với mục đích

thay đổi tính chất từ nội tại của vật liệu hoặc cải thiện vi cấu trúc [14], [15], [20], [47];hai là thay đổi điều kiện công nghệ chế tạo để tạo ra vi cấu trúc và thành phần pha củavật liệu như mong muốn [16], [32], [38], [44], [69], [70], [91]

Từ những lý do trên chúng tôi đã chọn đề tài nghiên cứu của luận án là:

Nghiên cứu chế tạo hợp kim từ cứng nền Nd-Fe-B cấu trúc nanomet bằng phương pháp nguội nhanh và nghiền cơ năng lượng cao.

Đối tượng nghiên cứu của luận án:

VLTC nanocomposite (Nd,Pr,Dy)-(Fe,Co)-Nb-B

Mục tiêu nghiên cứu của luận án:

Nâng cao chất lượng và hoàn thiện công nghệ chế tạo vật liệu từ cứng

nanocomposite Nd-Fe-B, bằng cách thay đổi hợp phần và khảo sát mối liên hệ giữacấu trúc và tính chất của chúng

Phương pháp nghiên cứu:

Luận án được tiến hành bằng phương pháp thực nghiệm Các mẫu nghiên cứuđược chế tạo bằng phương pháp phun băng nguội nhanh và nghiền cơ năng lượng cao.Nghiên cứu cấu trúc của mẫu bằng các kỹ thuật nhiễu xạ tia X và hiển vi điện tử Tínhchất từ của vật liệu được khảo sát bằng các phép đo từ trễ và từ nhiệt Các nam châmkết dính được chế tạo theo quy trình công nghệ ép nguội và ép nóng

Ý nghĩa khoa học của luận án:

Các kết quả nghiên cứu của luận án đã xây dựng được bức tranh tương đốihoàn thiện về ảnh hưởng của hợp phần và các điều kiện công nghệ chế tạo lên cấutrúc và tính chất từ của VLTC nanocomposite Nd-Fe-B Mặt khác, đề tài có ý nghĩakhoa học cao trong việc ứng dụng các hiệu ứng vật lý ở kích thước nanomet cho việctạo ra các loại vật liệu từ tiên tiến

Nội dung của luận án bao gồm:

(i) Thêm vào hợp kim Nd-Fe-B một số nguyên tố (Pr, Dy, Nb, Co) để tăngcường được các tham số từ cứng như lực kháng từ, tích năng lượng cựcđại và nhiệt độ Curie TC, đồng thời làm ổn định công nghệ chế tạo vật liệu (ii) Nghiên cứu ảnh hưởng của tỉ phần các nguyên tố và công nghệ chế tạo lêncấu trúc và tính chất từ của VLTC nanocomposite Nd-Fe-B

(iii) Nghiên cứu chế tạo vật liệu nanocomposite Nd-Fe-B bằng cả hai phươngpháp: nguội nhanh và nghiền cơ năng lượng cao

(iv) Nghiên cứu ảnh hưởng tương hỗ giữa các điều kiện chế tạo để đưa ra côngnghệ chế tạo tối ưu.

(v) Thử nghiệm chế tạo nam châm đàn hồi Nd-Fe-B bằng phương pháp épnguội và ép nóng

Bố cục của luận án:

Nội dung chính của luận án được trình bày trong 4 chương Chương đầu làphần tổng quan về VLTC nanocomposite Nd-Fe-B Chương tiếp theo trình bày các

kỹ thuật thực nghiệm về phương pháp chế tạo mẫu và các phép đo đặc trưng cấu trúc

và tính chất của vật liệu, cách tính đại lượng (BH)max và sai số trong các phép đo Haichương cuối trình bày các kết quả nghiên cứu đã thu được, bàn luận về ảnh hưởngcủa hợp phần và các yếu tố công nghệ lên cấu trúc và tính chất từ của vật liệunanocomposite Nd-Fe-B

Kết quả chính của luận án:

Đã khảo sát một cách hệ thống ảnh hưởng của các nồng độ đất hiếm từ nhỏ(RE = 4%) đến lớn (RE = 12%) và ảnh hưởng của các nguyên tố pha thêm Nb, Co, Pr

và Dy lên cấu trúc và tính chất từ của vật liệu nanocomposite Nd-Fe-B

Đã xây dựng được quy trình công nghệ tương đối hoàn thiện để chế tạo được

VLTC nanocomposite Nd-Fe-B có chất lượng tốt, có thể đưa vào ứng dụng thực tế

Luận án được thực hiện tại Phòng thí nghiệm Trọng điểm về Vật liệu và Linhkiện Điện tử và Phòng Vật lý Vật liệu Từ và Siêu dẫn, Viện Khoa học Vật liệu, ViệnKhoa học và Công nghệ Việt Nam

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU TỪ CỨNG NANOCOMPOSITE Nd-Fe-B 1.1 Lịch sử phát triển của vật liệu từ cứng

VLTC đã được tìm thấy và ứng dụng từ rất lâu, nhưng phải đến thế kỷ XX thìVLTC mới thực sự được nghiên cứu và ứng dụng nhiều Đầu tiên là vật liệu thép kỹ thuật

có (BH)max  1 MGOe Tiếp theo là vật liệu Alnico và ferit từ cứng có (BH)max ~ 5 MGOeđược chế tạo Việc tìm ra VLTC chứa đất hiếm là một bước tiến quan trọng trong quátrình phát triển VLTC VLTC chứa đất hiếm chủ yếu là SmCo5 có (BH)max > 20 MGOe,Sm2Co17 có (BH)max > 30 MGOe và Nd2Fe14B có (BH)max > 50 MGOe Vật liệu từcứng nanocomposite Nd-Fe-B, tổ hợp của pha từ cứng Nd2Fe14B và hai pha từ mềm

-Fe, Fe3B được chế tạo vào năm 1988 Loại vật liệu này đang được quan tâm nghiêncứu vì khả năng ứng dụng lớn và có thể nâng cao hơn nữa tích năng lượng (BH)max.Theo tính toán trong lý thuyết vật liệu này có thể cho (BH)max > 100 MGOe

1.2 Cấu trúc và tính chất từ của vật liệu từ cứng Nd 2 Fe 14 B

1.2.1 Cấu trúc tinh thể

Hợp kim Nd2Fe14B thuộc nhóm không gian P42/mnm, có cấu trúc tinh thể tứgiác với hằng số mạng a = 0,878 nm và c = 1,220 nm, khối lượng riêng 7,55 g/cm3.Cấu trúc tinh thể Nd2Fe14B ổn định nhờ nguyên tử B kết hợp với 6 nguyên tử Fe tạothành một hình lăng trụ đáy tam giác và các lăng trụ này lại được nối với nhau bởicác lớp Fe Cấu trúc tinh thể ổn định cùng với độ bất đối xứng rất cao tạo nên tính từcứng mạnh cho vật liệu

1.2.2 Tính chất từ

Pha Nd2Fe14B có dị hướng từ tinh thể K1 = 4,9.106 J/m3, từ độ bão hòa μ0Ms

= 1,61 T và nhiệt độ Curie TC = 585 K (312oC)

1.3 Phân loại vật liệu từ cứng Nd-Fe-B

1.3.1 Nam châm thiêu kết Nd-Fe-B

Trong nam châm thiêu kết các hạt từ kích thước vài micromet được liên kết nhaubởi một pha phi từ giàu Nd ở biên hạt Vật liệu này có tính dị hướng cao, có tích nănglượng cực đại (BH)max lớn, (BH)max  57 MGOe và có lực kháng từ lớn Hc  10 ÷ 25kOe

1.3.2 Nam châm kết dính Nd-Fe-B

Trong nam châm kết dính các hạt bột sắt từ Nd-Fe-B được liên kết với nhaubởi chất kết dính hữu cơ Đáng chú ý là nam châm kết dính đàn hồi hay còn gọi là vậtliệu nanocomposite Vật liệu này có vi cấu trúc ở kích thước nanô nên chúng cónhững tính chất mới mà ở kích thước thông thường không thể có được nên làm tăngphẩm chất từ của vật liệu

1.4 Cấu trúc và tính chất của vật liệu nanocomposite Nd-Fe-B

1.4.1 Cấu trúc của vật liệu nanocomposite Nd-Fe-B

Vật liệu nanocomposite là vật liệu tổ hợp hai pha cứng mềm ở kích thướcnanomet Với cấu trúc nano, các hạt từ cứng (Nd2Fe14B) liên kết với các hạt từ mềm(-Fe, Fe3B) thông qua tương tác trao đổi đàn hồi Nhờ vậy đã kết hợp được ưu điểm

từ độ bão hòa cao của pha từ mềm và tính dị hướng từ lớn của pha từ cứng để tạo ravật liệu có (BH)max cao

1.4.2 Tính chất của vật liệu nanocomposite Nd-Fe-B

Lực kháng từ và độ vuông đường trễ của vật liệu này phụ thuộc vào vi cấutrúc Lực kháng từ thay đổi trong khoảng khá rộng từ cỡ 2 kOe đến 15 kOe và tíchnăng lượng từ cực đại thay đổi trong khoảng từ vài MGOe đến 20 MGOe Nhiệt độCurie của vật liệu này được quyết định bởi pha từ cứng Nd2Fe14B (~ 585 K)

1.5 Một số mô hình lý thuyết cho vật liệu từ cứng nanocomposite Nd-Fe-B

1.5.1 Mô hình E F Kneller và R Hawig (K-H)

Đây là mô hình đơn giản mà lại khá phù hợp với thực nghiệm Kết quả tínhtoán cho thấy, để phát huy tương tác trao đổi giữa hai pha từ cứng và từ mềm, các hạttinh thể của cả hai pha có kích thước khoảng 10 nm và phân tán đồng đều với tỉ phầnthể tích pha từ cứng có thể giảm xuống tới 9% thể tích vật liệu

1.5.2 Một số mô hình khác

Một số các lý thuyết như của R Skomski, J M D Coey, Schreft và Fisher có các

ưu nhược điểm khác nhau và thường được áp dụng cho các trường hợp cụ thể của vật liệu

1.6 Các phương pháp chế tạo vật liệu từ cứng nanocomposite Nd-Fe-B

1.6.1 Phương pháp phun băng nguội nhanh

Nguyên tắc của phương pháp phun băng nguội nhanh là sử dụng năng lượngcủa dòng cảm ứng để năng lượng hóa vật liệu Sau đó vật liệu được phun lên bề mặttrống quay nhẵn bóng đã được làm lạnh bởi dòng nước chảy ngầm bên trong, để tạo

ra các băng hợp kim nguội nhanh có cấu trúc VĐH hoặc nano tinh thể

1.6.2 Phương pháp nghiền cơ năng lượng cao

Nghiền cơ năng lượng cao (NCNLC) là kỹ thuật sử dụng động năng của các viên

bi năng lượng hóa vật liệu (dựa trên sự va đập các bi thép cứng vào vật liệu) Các bi thépnày cùng với vật liệu được quay ly tâm hoặc lắc với tốc độ rất cao trong buồng kín chophép tạo ra bột vật liệu có kích thước nano hoặc VĐH

1.6.3 Các phương pháp khác

Một số phương pháp khác như phương pháp cán nóng và phương pháp tách vỡ

tái hợp sử dụng khí hydro HDDR cũng có thể dùng để chế tạo VLTC nanocomposite

1.7 Các yếu tố ảnh hưởng lên tính chất từ của vật liệu nanocomposite Nd-Fe-B

1.7.1 Ảnh hưởng của điều kiện công nghệ

Điều kiện công nghệ ảnh hưởng nhiều đến vi cấu trúc và do đó ảnh hưởng đếntính chất từ của vật liệu Mỗi hợp kim với thành phần xác định cần phải có một điềukiện công nghệ tối ưu tương ứng Các yếu tố trong công nghệ nguội nhanh gồm tốc

độ làm nguội hợp kim, nhiệt độ ủ, thời gian ủ nhiệt, tốc độ gia nhiệt Với phươngpháp nghiền cơ năng lượng cao yếu tố công nghệ là tỉ lệ bi/bột, tốc độ nghiền, thờigian nghiền, thể tích cối nghiền và môi trường nghiền

1.7.2 Ảnh hưởng của các nguyên tố pha thêm

Tính chất từ của vật liệu có thể được cải thiện đáng kể khi thêm vào một sốnguyên tố Việc pha thêm các nguyên tố đất hiếm như Pr, Dy, Tb có thể làm gia tăngđáng kể lực kháng từ của vật liệu Nb có thể làm giảm đáng kể kích thước hạt và

khống chế hiệu quả sự hình thành các hạt nanô tinh thể trong hợp kim Ảnh hưởngnổi bật của Co là làm tăng nhiệt độ Curie và góp phần ổn định công nghệ chế tạo

1.8 Ứng dụng và thị trường của vật liệu nanocomposite Nd-Fe-B

Vật liệu nanocomposite Nd-Fe-B trên thị trường hiện nay thường ở hai dạng làbột hợp kim và các nam châm kết dính Nam châm kết dính Nd-Fe-B có triển vọngứng dụng ngày càng nhiều trong thực tế Hiện nay, trên thế giới có rất nhiều hãng sảnxuất nam châm kết dính Nd-Fe-B Nhìn chung, các nam châm kết dính Nd-Fe-B trênthị trường có tích năng lượng (BH)max thấp hơn 12 MOe

1.9 Nghiên cứu và phát triển vật liệu nanocomposite Nd-Fe-B ở Việt nam

VLTC nanocomposite Nd-Fe-B luôn được các phòng thí nghiệm ở Việt Nam quantâm nghiên cứu Điều này được thể hiện qua nhiều báo cáo tại các hội nghị khoa học vàtrên các tạp chí chuyên ngành của nhiều nhóm tác giả như nhóm của GS Nguyễn HoàngNghị (ĐHBK Hà Nội), nhóm nghiên cứu của GS Lưu Tuấn Tài, GS Nguyễn Châu(ĐHQG Hà Nội), nhóm của PGS Nguyễn Văn Vượng, PGS Nguyễn Huy Dân (ViệnKhoa học Vật liệu) Các nam châm kết dính chế tạo được ở trong nước đã có tích nănglượng (BH)max đạt tới khoảng 8 MGOe Hiện nay, Viện Khoa học Vật liệu là đơn vị khámạnh trong lĩnh vực nghiên cứu và phát triển các ứng dụng của vật liệu từ Nd-Fe-B

Chương 2 KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM 2.1 Chế tạo mẫu hợp kim Nd-Fe-B

2.1.1 Chế tạo các hợp kim khối Nd-Fe-B bằng lò hồ quang

Phương pháp hồ quang được dùng để chế tạo các hợp kim khối ban đầu từ cácnguyên tố Nd, Pr, Dy, Fe, Co, Nb và hợp kim FeB (B 18%) với độ sạch cao Các hợp kimkhối này được dùng để tạo các mẫu băng và mẫu bột bằng phương pháp phun băng nguộinhanh và nghiền cơ năng lượng cao

2.1.2 Chế tạo băng hợp kim Nd-Fe-B bằng phương pháp nguội nhanh

Hợp kim được nấu nóng chảy bằng lò cao tần rồi được phun lên mặt của một trốngđồng lạnh đang quay với tốc độ lớn để tạo ra các băng hợp kim có độ dày 20 ÷ 60 µm

2.1.3 Chế tạo hợp kim Nd-Fe-B bằng phương pháp nghiền cơ năng lượng cao

Mẫu nghiền đựng trong cối và được nghiền bởi nhiều bi nghiền có kích thướckhác nhau để tăng hiệu quả nghiền

2.1.4 Xử lý nhiệt mẫu hợp kim Nd-Fe-B

Quá trình ủ nhiệt nhằm mục đích tạo pha tinh thể có thành phần và cỡ hạt mong muốn

2.1.5 Ép tạo viên nam châm kết dính

Ép thường (ép nguội): Cho bột vào khuôn, tăng dần lực ép đến 15 tấn, duy trì lực

ép khoảng 5 phút, triệt tiêu lực ép dỡ khuôn lấy mẫu, được viên nam châm

Ép nhiệt (ép nóng): cho bột vào khuôn, đặt khuôn vào lò gia nhiệt và ép gia nhiệt

ở nhiệt độ 300oC Duy trì áp lực lên mẫu trong thời gian 15 phút sao cho nhiệt độ củamẫu trong lò giảm xuống dưới nhiệt độ nóng chảy của chất kết dính (150oC) thì xả áp

và chờ cho mẫu nguội tự nhiên thì lấy mẫu ra

2.2 Các phương pháp nghiên cứu cấu trúc

2.2.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X

Qua phổ nhiễu xạ tia X ta có thể xác định được các đặc trưng cấu trúc củamạng tinh thể như: kiểu mạng, pha tinh thể và các hằng số mạng Từ phổ XRD cũng

có thể đánh giá được độ VĐH và tỉ phần pha tinh thể của các mẫu

2.2.2 Phương pháp hiển vi điện tử

Phương pháp hiển vi điện tử là kỹ thuật rất hiện đại để kết luận mẫu là VĐHthực sự hay gồm vi tinh thể rất nhỏ trên nền pha VĐH, cũng như xác định cỡ hạt,thành phần pha vi tinh thể Kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscope

- SEM) cho thông tin về bề mặt mẫu (hình dạng, kích thước hạt, thành phần hóa học ).Kính hiển vi điện tử truyền qua (Transmission Electron Microscopy - TEM) cho biếtthông tin cả về hình dạng, kích thước hạt lẫn cấu trúc bên trong mẫu (cấu trúc tinhthể, hằng số mạng )

2.3 Các phép đo nghiên cứu tính chất từ

2.3.1 Phép đo từ nhiệt trên hệ từ kế mẫu rung

Để đánh giá sự phụ thuộc của từ độ vào nhiệt độ chúng tôi sử dụng hệ đo từ kếmẫu rung (Vibrating Sample Magnetometer - VSM) Nguyên lý hoạt động của hệ đonày là dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ Mẫu cần đo được đặt trong từ trườngngoài do nam châm điện gây ra Mômen từ của mẫu được xác định dựa vào suất điệnđộng cảm ứng sinh ra do sự dịch chuyển tương đối giữa mẫu và cuộn dây thu tín hiệu

2.3.2 Phép đo từ trễ trên hệ từ trường xung

Từ các đường từ trễ đo trên hệ từ trường xung có thể xác định được các đạilượng đặc trưng quan trọng như: Hc, Ms, Mr và (BH)max Hệ được thiết kế theo nguyêntắc nạp - phóng điện qua bộ tụ điện và cuộn dây Dòng một chiều nạp điện cho tụ làmcho tụ tích năng lượng cỡ vài chục kJ Sau đó dòng điện tồn tại trong thời gian ngắn

đã phóng điện qua cuộn dây nam châm L và tạo trong lòng ống dây một từ trườngxung cao Mẫu đo được đặt tại tâm của cuộn nam châm cùng với hệ cuộn dây cảmbiến pick - up Tín hiệu ở lối ra tỷ lệ với vi phân từ độ và vi phân từ trường sẽ đượcthu thập, xử lí hoặc lưu trữ cho các mục đích cụ thể

Chương 3 ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ NGUYÊN TỐ LÊN CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT TỪ CỦA VẬT LIỆU TỪ CỨNG NANOCOMPOSITE Nd-Fe-B 3.1 Cải thiện vi cấu trúc và ổn định công nghệ chế tạo vật liệu nanocomposite Nd-Fe-B bằng cách thêm Nb

Hình 3.1 là phổ XRD của các mẫu

hợp kim Nd10,5Fe83,5-xNbxB6 (x = 0; 1,5 và

3) được phun băng với tốc độ trống quay v

= 30 m/s trước khi ủ nhiệt So với mẫu

không pha Nb thì mẫu pha Nb có cường độ

các đỉnh nhiễu xạ yếu dần theo nồng độ

Nb, đồng thời khả năng tạo trạng thái

VĐH của hợp kim tăng lên Kết quả đo từ

trễ cho thấy mẫu x = 1,5 có đường cong từ

trễ khá trơn nhẵn và có Hc khá cao (Hc = 7

kOe) Mẫu x = 0 và x = 3 thể hiện sự đa

pha từ và Hc nhỏ Như vậy, với một nồng

độ nhất định, Nb làm giảm kích thước hạt, tăng khả năng tạo trạng thái VĐH trong quátrình nguội nhanh Đồng thời với tỷ phần thích h p, Nb có kh n ng l m t ng l c khángợp, Nb có khả năng làm tăng lực kháng ả năng làm tăng lực kháng ăng làm tăng lực kháng àm tăng lực kháng ăng làm tăng lực kháng ực kháng

t v ừ và độ vuông đường trễ của hợp kim àm tăng lực kháng độ vuông đường trễ của hợp kim vuông đường trễ của hợp kim ng tr c a h p kim ễ của hợp kim ủa hợp kim ợp, Nb có khả năng làm tăng lực kháng

-15

-10

-5 0 5 10 15

nhiệt độ 675 o C trong thời gian 10 phút (a) và lực kháng từ H c phụ thuộc nhiệt độ ủ T a

Để tăng cường tính từ cứng cho vật liệu chúng tôi đã tiến hành ủ nhiệt các mẫubăng Nd10,5Fe83,5-xNbxB6 (x = 0; 1,5 và 3) trong khoảng nhiệt độ từ 625  775oC Kết quảcho thấy quá trình ủ nhiệt làm cho tính từ cứng trong các mẫu x = 1,5 và x = 3 tăng Mẫu

x = 3 sau ủ nhiệt có Hc lớn nhất (hình 3.4a) Hình 3.4b biểu diễn các giá trị Hc theo Ta

Hình 3.1 Phổ XRD của mẫu băng

Nd 10,5 Fe 83,5-x Nb x B 6 (x = 0; 1,5 và 3) trước khi ủ nhiệt

của các mẫu cho thấy Nb không chỉ làm tăng lực kháng từ mà còn làm ổn định cấu trúccủa hợp kim khi điều kiện chế tạo thay đổi (Hc thay đổi rất ít khi Ta thay đổi)

Hình 3.6 là các ảnh TEM trường sáng, ảnh SAED và ảnh HRTEM của mẫu đượcpha Nb với nồng độ là 3%, chúng tôi thấy Nb giúp làm mịn hạt, làm cho các hạt trở nênđồng đều hơn, các biên hạt được phân lập rõ ràng, điều đó giải thích Hc của m u l n ẫu lớn ớn

c)

Hình 3.6 Ảnh TEM trường sáng (a), ảnh

HRTEM (b) và ảnh SAED (c) của mẫu

Tóm lại với nồng độ Nb trong khoảng 1,5 ÷ 3%, hợp kim có kích thước hạt tinh thể khá đồng đều, cấu trúc vi mô ổn định và lực kháng từ được nâng lên khá cao

3.2 Nâng cao nhiệt độ Curie của vật liệu nanocomposite Nd-Fe-B bằng cách thêm Co

Hình 3.7 là giản đồ XRD của mẫu băng Nd10,5-xFe82CoxNb1,5 B6 (x = 0, 2, 4, 6 và 8) khichưa ủ nhiệt Trên phổ XRD cho thấy khi nồng độ Co tăng lên, sự kết tinh của hợp kim giảmđáng kể Nồng độ Co trong khoảng từ 4  6% mẫu hầu như ở trạng thái VĐH Như vậy, vớinồng độ thích hợp của Co, cấu trúc VĐH của hợp kim được cải thiện đáng kể, khả năng tạotrạng thái VĐH được tăng lên Kết quả phân tích tính chất từ của các mẫu băng sau ủ nhiệtcho thấy, nhiệt độ ủ tối ưu của các mẫu là 725oC, quá trình ủ nhiệt cải thiện độ vuông đườngtrễ của mẫu x = 0, tăng cường tính từ cứng cho các mẫu có nồng độ Co từ 24%

Hình 3.7 Phổ XRD của băng nguội

nhanh Nd 10,5-x Fe 82 Co x Nb 1,5 B 6 (x = 2, 4, 6

và 8) với v = 30 m/s.

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20

nhiệt của các mẫu băng hợp kim

Nd10,5-xFe82CoxNb1,5B6 sau khi ủ

nhiệt Khi được ủ nhiệt, TC của các

mẫu tăng dần theo nồng độ Co,

khoảng nhiệt độ TC của các mẫu

thay đổi khá rộng từ  585 đến 

650 K Các đường từ nhiệt chưa

giảm về không khi nhiệt độ tăng đến

700 K là do pha từ mềm -Fe trong

các mẫu có nhiệt độ Curie cao hơn

( 1050 K) 3.2.2 Ảnh hưởng của Co lên tính chất từ của hợp kim Nd 10,5-x Fe 80,5 Co x Nb 3 B 6

(x = 0, 2, 4 và 6)

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

Ảnh hưởng của Co lên cấu trúc và tính chất từ của vật liệu nanocomposite Nd-Fe-Bđược tiếp tục nghiên cứu trên hệ hợp kim Nd10,5-xFe80,5CoxNb3B6 (x = 0, 2, 4 và 6) Kết quảphân tích cấu trúc với các tốc độ làm nguội từ 10 m/s đến 40 m/s cho thấy sự hình thànhpha phụ thuộc cả vào nồng độ của Co và tốc độ làm nguội Với x = 0 mẫu kết tinh ngay ởtốc độ làm nguội cao nhất (v = 40 m/s) Với nồng độ Co từ 2  6%, tỷ lệ kết tinh của hợpkim giảm đáng kể ở v = 10 và 20 m/s và gần như vô định hình ở v = 40 m/s Quá trình ủnhiệt đã làm tăng cường tính từ cứng cho vật liệu Hình 3.14a biểu diễn sự phụ thuộc củalực kháng từ Hc vào nhiệt độ ủ Chúng ta có thể thấy rằng, lực kháng từ giảm với nồng độtăng lên của Co Tuy nhiên, sản phẩm vẫn cho tích năng lượng cực đại (BH)max lớn (hình3.14b) Điều này có thể được giải thích do từ độ bão hòa cũng như độ từ dư của các hợpkim tăng lên đáng kể với sự gia tăng của nồng độ Co

3.3.1 Ảnh hưởng của Pr lên tính chất từ của hệ vật liệu nanocomposite Nd-Fe-B

v = 10 m/s

625 650 675 700

x=1 x=2 x=3 x=4

Phân tích phổ XRD cho thấy các mẫu trước khi ủ nhiệt cho thấy các mẫu hầu như

ở trạng thái VĐH và kết quả đo từ trễ cũng chỉ ra các mẫu thể hiện tính từ mềm Sau ủnhiệt tính chất từ của các mẫu thay đổi đáng kể Hình 3.20 biểu diễn sự phụ thuộc của Hc

và (BH)max vào nhiệt độ ủ Ta nhận thấy, nhiệt độ ủ tối ưu của các mẫu từ 650oC  675oC

Nhìn chung, lực kháng từ đã đạt được

trên 3 kOe và tích năng lượng (BH)max vượt

quá 12 MGOe trên các hợp kim có tỉ phần

Pr/Nd bằng 1/4 và 2/4 Như vậy, việc pha

thêm Pr đã tăng cường đáng kể tính chất từ

cho vật liệu

Khảo sát ảnh hưởng của thời gian ủ

nhiệt lên tính chất từ của vật liệu cho thấy,

khoảng thời gian ủ mà tính chất từ thay đổi

không nhiều là từ 5 dến 15 phút (hình 3.21)

Tuy vậy, thời gian tối ưu là vào khoảng 10

phút

3.3.2 Ảnh hưởng của Dy lên tính chất từ của hệ vật liệu nanocomposite Nd-Fe-B

Hình 3.22 cho thấy các đường từ trễ của các mẫu băng Nd4-xDyxFe78B18 (x = 0,25;0,5; 0,75 và 1) ủ nhiệt ở 650oC trong thời gian 10 phút Ta thấy rằng tính từ cứng củahợp kim đã được tăng cường đáng kể Lực kháng từ của tất cả các mẫu này đã vượttrên 3 kOe, tăng khoảng hơn 30% so với mẫu chưa có Dy Tích năng lượng (BH)max

0 1 2 3 4

Hình 3.21 Sự phụ thuộc của lực kháng

từ H c vào thời gian ủ t a của hợp kim

Nd 4-x Pr x Fe 78 B 18 (x =1, 2, 3 và 4)

của các mẫu có nồng độ Dy bằng 0,25;

0,5; 0,75 và 1% lần lượt là 12,7; 15,6;

12,3 và 10,1 MGOe (BH)max ở mẫu với

x = 0,5 tăng khoảng 50% so với mẫu

không pha Dy

Ảnh hưởng của Dy lên hệ hợp kim

là 11,3 và 13,5 MGOe; vượt qua giá trị tối ưu của mẫu không chứa Dy

Tóm lại, việc pha thêm Dy với vật liệu có tổng nồng độ đất hiếm thấp cho thấy

Hc và (BH)max được tăng cường Hc và (BH)max của vật liệu có thể được tăng đáng kể(trên 20%) chỉ với một nồng độ khá nhỏ (dưới 0,5%) của Dy

3.4 T ph n Fe/B t i u c a v t li u nanocomposite Nd-Fe-B v i các n ng ư ủa hợp kim ật liệu nanocomposite Nd-Fe-B với các nồng độ đất hiếm ệu nanocomposite Nd-Fe-B với các nồng độ đất hiếm ớn ồng độ đất hiếm độ vuông đường trễ của hợp kim đất hiếm t hi m ếm khác nhau

-15 -10 -5 0 5 10 15

0.25

0.5 0.75 1