Nghiên cứu chế tạo vật liệu từ cứng nanocomposite nền Nd-Fe-B bằng phương pháp thiêu kết xung diện plasma

Hiệu ứng tương tác trao đổi đàn hồi giữa pha từ cứng và pha từ mềm ở kích thước nanomet cho phép khai thác được từ độ bão hòa lớn của pha từ mềm và lực kháng từ cao của pha từ cứng, để t

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực và không trùng lặp với các đề tài khác Mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc

Hà Nội, tháng 11 năm 2019

Hồ Công Tình

LỜI CẢM ƠN

Luận văn được thực hiện tại phòng Phòng thí nghiệm Trọng điểm về 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 dưới sự hướng dẫn của GS.TS Nguyễn Huy Dân

Tôi xin cảm ơn sự hỗ trợ kinh phí của đề tài cấp Bộ Giáo dục và Đào tạo, mã số B.2018-SP2-11 và thiết bị của Trường ĐHSP Hà Nội 2, để tôi thực hiện luận văn này

Tôi cũng xin được cảm ơn toàn thể các thầy giáo, cô giáo trong Học viện Khoa học và Công nghệ, những người đã dạy dỗ và trang bị cho tôi những tri thức khoa học trong suốt hai năm học cao học

Tôi xin được cảm ơn TS Dương Đình Thắng, TS Phạm Thị Thanh,

TS Nguyễn Hải Yến cùng toàn thể cán bộ nghiên cứu trong Phòng Thí nghiệm Trọng điểm về 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 đã giúp đỡ tôi trong quá trình làm luận văn

Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc đến bố mẹ, anh chị em, bạn bè đã động viên, chia sẻ và giúp đỡ tôi khắc phục khó khăn trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu hoàn thành luận văn này

Hà Nội, tháng 9 năm 2019

Hồ Công Tình

MỤC LỤC

Trang

MỞ ĐẦU 10

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU TỪ NANOCOMPOSITE

NỀN Nd-Fe-B……… 13

1.1 Sơ lược về lịch sử phát triển của vật liệu từ cứng 13

1.2 Vật liệu từ cứng Nd-Fe-B……… 15

1.2.1 Phân loại vật liệu từ cứng 15

1.2.2 Cấu trúc và tính chất của vật liệu nanocomsite Nd-Fe-B … 16

1.3 Cơ chế đảo từ và lực kháng từ trong nam châm Nd-Fe-B ………… 19

1.3.1 Cơ chế đảo từ 19

1.3.2 Lực kháng từ trong nam châm Nd-Fe-B ……… 23

1.3.3 Sự phụ thuộc nhiệt độ của lực kháng từ ……… 26

1.4 Mô hình Kneller – Hawig 27

1.5 Chế tạo vật liệu từ nanocomposite nền Nd-Fe-B bằng phương pháp nguội nhanh 33

1.5.1 Phương pháp phun băng nguội nhanh 33

1.5.2 Ảnh hưởng của tốc độ nguội hợp kim lỏng lên quá trình tạo pha 35

1.5.3 Chế tạo vật liệu nanocomposite bằng cách tinh thể hóa pha vô định hình 37

1.5.4 Chế tạo trực tiếp vật liệu nanocomposite từ hợp kim nóng chảy 39

1.6 Chế tạo vật liệu từ cứng nanocomposite nền Nd-Fe-B bằng phương pháp thiêu kết xung điện plasma 41

Chương 2 NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 46

2.1 Chế tạo vật liệu nanocomposite nền Nd-Fe-B 46

2.1.1 Chế tạo hợp kim ban đầu bằng phương pháp hồ quang 46

2.1.2 Chế tạo băng nguội nhanh bằng phương pháp phun băng 48

2.1.3 Chế tạo bột hợp kim bằng phương pháp nghiền cơ năng lượng cao 52

2.1.4 Chế tạo mẫu khối bằng phương pháp thiêu kết xung điện plasma 53

2.1.5 Xử lý nhiệt đối với các mẫu băng 54

2.2 Các phép đo khảo sát mẫu 55

2.2.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X 55

2.2.2 Phép đo từ trễ 57

Chương 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 60

3.1 Nghiên cứu chế tạo vật liệu từ cứng nanocomposite Nd3Tb1Fe71Co5Cu0,5Nb1B18,5 bằng phương pháp thiêu kết xung điện plasma 60

3.2 Nghiên cứu chế tạo vật liệu từ cứng nanocomposite Nd10,5Fe80,5Nb3B6 bằng phương pháp thiêu kết xung điện plasma 65

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 78

TÀI LIỆU THAM KHẢO 79

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

I DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU

Ah : Hằng số trao đổi của lớp từ cứng

Am, Ak : Hằng số trao đổi của pha từ mềm và pha từ cứng (BH)max : Tích năng lượng cực đại

bm, bk : Độ dày vùng pha từ mềm, Độ dày vùng pha từ cứng

HP : Trường lan truyền vách đômen

hp : Trường lan truyền rút gọn

k : Hằng số Bolzman

Mh : Từ độ

Ms, Mr : Từ độ bão hòa, từ độ dư

Msk, Msm : Từ độ bão hoà của pha cứng và pha mềm

Mm, Mv : Từ độ theo khối lượng, thể tích

ϕ : Góc nhị diện

1 : Hệ số trường phân tử

 : Năng lượng của mỗi đơn vị diện tích trên vách đômen

 : Khối lượng riêng

 : Góc nhiễu xạ Bragg

 : Độ bán rộng của đỉnh nhiễu xạ

0 : Độ từ thẩm trong chân không

m : Độ dày vách pha từ mềm

w(x) : Năng lượng vách đômen phụ thuộc vị trí

II DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

C-C-T : Giản đồ nhiệt chuyển pha liên tục

DSC : Giản đồ nhiệt dung quét vi sai

NCNC : Nam châm nanocomposite

NCVC : Nam châm vĩnh cửu

SPS : Kỹ thuật thiêu kết xung điện plasma

T-T-T : Giản đồ nhiệt độ - thời gian - chuyển pha

VĐH : Vô định hình

VLTC : Vật liệu từ cứng

XRD : Nhiễu xạ tia X

DANH MỤC CÁC BẢNG

Trang

Bảng 1.1 Các pha vi tinh thể hình thành trong Nd 4,5 Fe 77 B 18,5 khi ủ

đẳng nhiệt [37] 39 Bảng 2.1 Các mẫu khối đã được chế tạo trong luận văn bằng phương pháp

thiêu kết xung điện plasma 51

Bảng 3.1 Giá trị thông số từ cứng của mẫu khối

Nd 3 Tb 1 Fe 71 Co 5 Cu 0,5 Nb 1 B 18,5 thiêu kết tại các nhiệt độ T sps

khác nhau ……… 64

Bảng 3.2 Thông số từ cứng của các mẫu khối Nd 10,5 Fe 80,5 Nb 3 B 6 chế tạo

bằng phương pháp SPS ở nhiệt độ 700 o C, thời gian giữ nhiệt 0,5 và 10 phút ……… 70

Bảng 3.3 Thông số từ cứng của các mẫu khối Nd 10,5 Fe 80,5 Nb 3 B 6 chế tạo

bằng phương pháp SPS ở nhiệt độ (600 ÷ 750 o C), thời gian giữ nhiệt 10 phút……… 72

Bảng 3.4 Thông số từ cứng của các mẫu khối Nd 10,5 Fe 80,5 Nb 3 B 6 chế tạo

bằng phương pháp SPS ở các nhiệt độ khác nhau (600 ÷

650 o C) sau đó ủ nhiệt ở nhiệt độ 675 o C trong 10 phút …… 73

Bảng 3.5 Thông số từ cứng của các mẫu khối Nd 10,5 Fe 80,5 Nb 3 B 6 chế tạo

bằng phương pháp SPS ở các nhiệt độ khác nhau (600

650 o C) ủ nhiệt ở nhiệt độ 700 o C trong 10 phút ……… 73

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Trang

Hình 1.1 Sự phát triển của nam châm vĩnh cửu trong thế kỷ 20 [8] …… 13 Hình 1.2 Sơ đồ mô phỏng cấu trúc vật liệu nanocomposite Nd-Fe-B [3] 17 Hình 1.3 Sơ đồ mô phỏng sự kết hợp pha từ cứng và từ mềm của vật liệu

Hình 1.6 Đường từ hoá ban đầu và đường từ trễ của nam châm loại mầm

đảo từ và nam châm loại ghim vách đômen [9] ……… 20

Hình 1.7 Vi cấu trúc của mầm đảo từ và ghim vách đômen Các mầm

đảo từ có thể ở trong hạt (A) hoặc biên hạt (B) và tâm hãm vách ở vị trí C [9] ……… 22

Hình 1.8 Các đường cong mô tả quá trình đảo từ của vật liệu có cấu

trúc khác nhau [5] ……… 23

Hình 1.9 Minh hoạ đường từ trễ cho các loại nam châm khác nhau: tạo

mầm đảo từ ở vách (a), mầm đảo từ không đồng nhất và ghim vách đômen ở biên hạt (b), mầm đảo từ không đồng nhất và phân bố trong các hạt (c) [18] ……… 24

Hình 1.10 Một số tâm ghim vách đômen: các tâm nằm trên vách phẳng

(a), tâm dạng thanh (b) và tâm tròn (c) [26] ……… 25

Hình 1.11 Hai loại sai hỏng (a) và năng lượng vách đômen phụ thuộc vào

vị trí khi không có từ trường ngoài (b) [30] ……… 26

Hình 1.12 Sự phụ thuộc nhiệt độ của lực kháng từ trong một số nam

châm vĩnh cửu [31]

Hình 1.13 Mẫu vi cấu trúc một chiều và cấu trúc vi từ của vật liệu

composite tương tác trao đổi được sử dụng làm cơ sở để tính kích thước tới hạn của vùng pha, (a) độ từ hóa đạt bão hòa, 29

(b)-(c) Sự khử từ khi tăng từ trường nghịch đảo H trong trường hợp b m >> b cm , (d) Sự khử từ trong trường hợp giảm b m đến kích thước tới hạn b cm [32] ………

Hình 1.14 Cấu trúc hai chiều lí tưởng của nam châm đàn hồi [6] 32 Hình 1.15 Các đường cong khử từ điển hình: (a) Có tương tác trao đổi,

b m = b cm (b) Có tương tác trao đổi với vi cấu trúc dư thừa, b m

>> b cm (c) Chỉ có pha từ cứng (d) Hai pha từ cứng, từ mềm không tương tác với nhau [5] 33

Hình 1.16 Sơ đồ thiết bị phun băng trống quay đôi [3] 34 Hình 1.17 Hình ảnh thiết bị phun băng trống quay đơn [3] 35 Hình 1.18 Giản đồ C-C-T biểu diễn các đường nguội tạo pha vô định

hình hoặc tinh thể hoá [6] 36

Hình 1.19 Giản đồ C-C-T cho nanocomposite Fe 3 B/Nd 2 Fe 14 B, các đường

cong nguội liên tục tương ứng với các tốc độ nguội khác nhau [33] 36

Hình 1.20 Sự thay đổi nhiệt độ của băng nguội nhanh Nd 4,5 Fe 77 B 18 , 5

theo thời gian với các tốc độ khác nhau của trống quay [34] 37

Hình 1.21 Các giản đồ nhiệt dung quét vi sai (Differential Scanning

Calorimetry - DSC) của vật liệu vô định hình Nd 4,5 Fe 77 B 18 , 5 với các tốc độ quét nhiệt khác nhau [36] 38

Hình 1.22 Ảnh nhiễu xạ tia X của băng nguội nhanh Nd4Fe 77,5 B 18 , 5 với

các vận tốc trống quay khác nhau [37] ……… 40

Hình 1.23 Sơ đồ cấu trúc của thiết bị thiêu kết xung điện Plasma [37]… 42

Hình 1.24 Mô tả quá trình triệt tiêu vùng rỗng giữa các hạt trong SPS [38] 43

Hình 1.25 So sánh quá trình ép giữa SPS và HP (Hot Press) trên bột hợp

kim nhôm (a); Sự phụ thuộc của độ xốp vào quá trình lên nhiệt (b) [36] ……… 44

Hình 1.26 Nam châm dị hướng NdFeB chế tạo bằng phương pháp SPS

[39] 45

Hình 2.1 Sơ đồ khối của hệ nấu mẫu bằng lò hồ quang ……… 46 Hình 2.2 Ảnh hệ nấu hợp kim hồ quang ……… 47

Hình 2.3 Sơ đồ khối của hệ phun băng nguội nhanh ……… 49

Hình 2.4 Ảnh toàn bộ thiết bị phun băng nguội nhanh 50

Hình 2.5 Nguyên lý kỹ thuật nghiền cơ năng lượng cao [3] 52

Hình 2.6 Máy nghiền cơ SPEX 8000D (a), cối và bi nghiền (b) ……… 53

Hình 2.7 Ảnh thiết bị SPS Labox-210 ……….… 53

Hình 2.8 Khuôn và chày grafit sử dụng trong SPS ……… … 54

Hình 2.9 Lò ủ nhiệt Thermolyne ……… 54

Hình 2.10 Mô hình hình học của hiện tượng ……… 55

Hình 2.11 Thiết bị Siemen D-5000 ……… 56

Hình 2.12 Sơ đồ nguyên lý hệ đo từ trường xung ……… 57

Hình 2.13 Hệ đo từ trường xung ……… 58

Hình 3.1 Khuôn graphit và các mẫu khối Nd 3 Tb 1 Fe 71 Co 5 Cu 0,5 Nb 1 B 18,5 chế tạo bằng phương pháp SPS .……… 60

Hình 3.2 Phổ XRD mẫu băng và mẫu khối của vật liệu Nd 3 Tb 1 Fe 71 Co 5 Cu 0,5 Nb 1 B 18,5 ……… 61

Hình 3.3 Chế độ thiêu kết của bột Nd 3 Tb 1 Fe 71 Co 5 Cu 0,5 Nb 1 B 18,5 ………… 62

Hình 3.4 Đường cong từ trễ của mẫu Nd 3 Tb 1 Fe 71 Co 5 Cu 0,5 Nb 1 B 18,5 : Dạng băng chưa ủ nhiệt (a) và dạng khối ở các nhiệt độ thiêu kết SPS khác nhau (b) ……… 63

Hình 3.5. Giản đồ XRD (a) và đường cong từ trễ (b) của mẫu băng nguội nhanh Nd 10,5 Fe 80,5 Nb 3 B 6 ……… 66

Hình 3.6 a) Đường cong từ trễ của các mẫu Nd 10,5 Fe 80,5 Nb 3 B 6 chế tạo bằng phương pháp SPS ở các nhiệt độ 650 o C, 700 o C và 750 o C, thời gian giữ nhiệt 5 phút; b) Đường biểu diễn sự phụ thuộc của H c theo nhiệt độ thiêu kết T sps ……… 68

Hình 3.7 a) Đường cong từ trễ của các mẫu Nd 10 , 5 Fe 80,5 Nb 3 B 6 chế tạo bằng phương pháp SPS ở nhiệt độ 700 o C, thời gian giữ nhiệt 0,5 và 10 phút; b) Đường biểu diễn sự phụ thuộc của Hc theo thời gian thiêu kết t sps ……….… 69

Hình 3.8 a) Đường cong từ trễ của các mẫu Nd 10,5 Fe 80,5 Nb 3 B 6 chế tạo

bằng phương pháp SPS ở nhiệt độ (600 ÷ 750 o C) thời gian giữ nhiệt 10 phút; b) Đường biểu diễn sự phụ thuộc của H c

theo nhiệt độ thiêu kết T sps ……… ……… 71

Hình 3.9 a) Đường cong từ trễ của các mẫu Nd 10,5 Fe 80,5 Nb 3 B 6 chế tạo

bằng phương pháp SPS ở các nhiệt độ khác nhau (600 ÷

650 o C) sau đó ủ nhiệt ở nhiệt độ 675 o C trong 10 phút; b) Đường biểu diễn sự phụ thuộc của H c theo nhiệt độ thiêu kết

T sps khi ủ ở nhiệt độ 675 o C ……… 74

Hình 3.10 a) Đường cong từ trễ của các mẫu Nd 10,5 Fe 80,5 Nb 3 B 6 chế tạo

bằng phương pháp SPS ủ nhiệt ở nhiệt độ 700 o C trong 10 phút; b) Đường biểu diễn sự phụ thuộc của H c theo nhiệt độ thiêu kết T sps khi ủ ở nhiệt độ 700 o

C ……… 75

Hình 3.11 Đường cong từ trễ của các mẫu Nd 10,5 Fe 80,5 Nb 3 B 6 chế tạo bằng

phương pháp SPS ủ nhiệt ở nhiệt độ 725 o C trong 10 phút … 76

Hiện nay, một loại vật liệu từ cứng đang được các nhà khoa học tập trung nghiên cứu là vật liệu từ cứng nanocomposite Vật liệu này gồm các pha

từ mềm và từ cứng ở kích thước nanomet Hiệu ứng tương tác trao đổi đàn hồi giữa pha từ cứng và pha từ mềm ở kích thước nanomet cho phép khai thác được từ độ bão hòa lớn của pha từ mềm và lực kháng từ cao của pha từ cứng,

để tạo nên một vật liệu có tích năng lượng (BH)max lớn Loại vật liệu này có thể chỉ cần một lượng đất hiếm bằng 1/3 so với nam châm chế tạo bằng phương pháp thiêu kết nên làm tăng độ bền cơ học, hóa học và giảm đáng kể giá thành Mặt khác công nghệ chế tạo cũng đơn giản và dễ dàng tạo được nam châm có hình dạng phức tạp theo yêu cầu Tuy nhiên, vật liệu từ cứng nanocomposite mới chỉ cho tích năng lượng (BH)max thực tế cỡ 20 MGOe còn cách xa giá trị lý thuyết (> 100 MGOe), nhiệt độ Curie thấp, công nghệ chế tạo chưa ổn định Điều đó đặt ra mục tiêu nghiên cứu tìm ra công nghệ để nâng cao tính chất từ

và ổn định các tham số của vật liệu

Một phương pháp chế tạo vật liệu nano đang được sử dụng nhiều hiện nay là phương pháp phun băng nguội nhanh sau đó ủ nhiệt, do nó có những

ưu điểm như: Dễ khống chế kích thước hạt, thành phần pha và đây là phương pháp đơn giản, dễ thực hiện Hơn nữa, với lượng đất hiếm thấp sẽ giúp tăng

độ bền hóa học và giảm giá thành của vật liệu Để chế tạo nam châm kết dính, người ta dùng các bột từ băng nguội nhanh trộn với chất kết dính theo các tỷ

lệ khác nhau Thực tế, các nam châm kết dính này có lực kháng từ còn thấp và cấu trúc mật độ hạt chưa cao cũng như chất kết dính không chịu được nhiệt độ cao khi thiết bị làm việc trong môi trường khắc nghiệt Các nhược điểm này

có thể được khắc phục bằng cách thay đổi thành phần hợp kim (pha tạp thêm các nguyên tố khác) để tăng cường lực kháng từ và ép kết dính bằng xung điện hay áp suất cao mà không cần chất kết dính hữu cơ Cho đến nay, rất nhiều nhà khoa học đang nỗ lực hết mình để vượt qua thách thức này Bằng phương pháp thiêu kết xung điện plasma – SPS, bột hợp kim nguội nhanh có thể tự kết dính mà không cần keo hữu cơ để tạo thành nam châm đàn hồi có mật độ cao

Vấn đề đặt ra là làm cách nào để nâng cao được các thông số từ cho vật liệu, tăng độ bền cơ học, hóa học và giảm giá thành, ổn định công nghệ chế tạo vật liệu?

Từ những lý do trên chúng tôi quyết định chọn đề tài nghiên cứu của

luận văn là: “Nghiên cứu chế tạo vật liệu từ cứng nanocomposite nền Fe-B bằng phương pháp thiêu kết xung điện plasma”

Nd-2 Mục đích nghiên cứu

Chế tạo được vật liệu từ cứng nanocomposite nền Nd-Fe-B dạng khối bằng phương pháp có thể ứng dụng trong thực tế

3 Nhiệm vụ ý nghĩa của nghiên cứu

Chế tạo vật liệu từ cứng nanocomposite chứa các pha từ cứng và từ mềm với tỉ lệ các mẫu khác nhau

Khảo sát cấu trúc và tính chất từ của mẫu chế tạo được

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Vật liệu từ cứng nanocomposite nền Nd-Fe-B khối

5 Phương pháp nghiên cứu

Luận văn được tiến hành theo phương pháp thực nghiệm Hợp kim ban

đầu được chế tạo bằng lò hồ quang, sau đó được phun thành băng nguội

nhanh trên thiết bị ZKG-1 Các băng nguội nhanh được nghiền thành bột và

được sử dụng trong ép thiêu kết bằng xung điện plasma, Việc phân tích pha

và kiểm tra cấu trúc tinh thể của mẫu được thực hiện bằng phương pháp nhiễu

xạ tia X trên thiết bị Siemen D5000 và đo tính chất từ trên hệ từ kế mẫu rung

VSM

6 Đóng góp của đề tài

Chế tạo và nghiên cứu tính chất từ của vật liệu nanocomposite dạng khối

chế tạo bằng phương pháp thiêu kết xung điện plasma

Ngoài phần Mở đầu, Kết luận và Tài liệu tham khảo, luận văn gồm 3

chương:

Chương 1: Tổng quan về vật liệu từ cứng nanocomposite nền

Nd-Fe-B

Chương 2: Nguyên vật liệu và phương pháp nghiên cứu

Chương 3: Kết quả và thảo luận

Luận văn được thực hiện tại Phòng thí nghiệm Trọng điểm về 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

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU TỪ CỨNG

NANOCOMPOSITE NỀN Nd-Fe-B 1.1 SƠ LƯỢC VỀ LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN VẬT LIỆU TỪ CỨNG

Tính chất từ của VLTC được đặc trưng bởi các tham số như lực kháng

từ Hc, cảm ứng từ dư Br, tích năng lượng cực đại (BH)max, nhiệt độ Curie TC Các tham số này có thể thu được từ đường cong từ trễ M(H) và từ nhiệt M(T) Trong đó, tích năng lượng cực đại (BH)max (đặc trưng cho khả năng tích trữ năng lượng từ) được coi là một thông số từ quan trọng nhất để đánh giá chất lượng của VLTC Nam châm vĩnh cửu sử dụng VLTC đầu tiên (thép kỹ thuật) được chế tạo vào những năm 1740 có (BH)max  1 MGOe Giá trị tích năng lượng này khá thấp, do đó phải dùng một lượng lớn kim loại mới tạo ra được nam châm có lực hút đủ mạnh Điều đó đặt ra yêu cầu cần phải nghiên cứu nâng cao (BH)max cho vật liệu Nhờ nỗ lực nghiên cứu của các nhà khoa học, tích năng lượng (BH)max của vật liệu sau đó được tăng lên khá nhanh Trong thế kỉ XX cứ sau 20 năm (BH)max tăng gấp 3 lần (hình 1.1) [8]

Hình 1.1 Sự phát triển của nam châm vĩnh cửu trong thế kỷ 20 [8]

Để có được những tiến bộ này, các nhà khoa học về vật liệu từ một mặt tập trung trong việc tìm kiếm vật liệu mới, mặt khác hoàn thiện công nghệ chế

Nanocomposite NdFeB

tạo Tiến bộ đầu tiên trong nâng cao phẩm chất từ được đánh dấu bằng việc phát hiện ra hợp kim Alnico bởi Mishima (Nhật Bản) vào năm 1932 [1] Hợp kim này được chế tạo bởi quá trình hợp kim hóa ba nguyên tố Ni, Co và Fe có pha một lượng nhỏ Al và Cu, lực kháng từ Hc đạt khoảng 0,63 kOe Đến năm

1956 hợp kim Alnico9 có (BH)max đã đạt tới 10 MGOe được chế tạo với tính

dị hướng lớn do vi cấu trúc dạng cột (dị hướng hình dạng) Nhờ có nhiệt độ Curie cao (850oC) nên hiện nay nam châm này vẫn còn được sử dụng Nhược điểm của vật liệu này là lực kháng từ Hc bé (~ 2 kOe) [9]

Năm 1967 vật liệu SmCo5 được tìm ra và trở thành nam châm đất hiếm đầu tiên có giá trị thương mại Hợp chất này có dị hướng từ tinh thể cao Đầu tiên nó được chế tạo ở dạng nam châm kết dính có (BH)max  5 MGOe, đến năm 1969, nam châm SmCo5 được chế tạo ở dạng thiêu kết cho (BH)max  20 MGOe Năm 1976, vật liệu trên cơ sở Sm2Co17 có (BH)max  30 MGOe được

chế tạo theo công nghệ luyện kim bột và xử lý ở nhiệt độ 1100oC Nếu quy trình chế tạo hợp lý vật liệu sẽ có vi cấu trúc dạng hạt, pha Sm2(Co,Fe)17 được bao quanh bởi pha biên Sm(Co,Cu)5 Lực kháng từ tăng nhờ cơ chế ghim vách đômen ở biên hạt [10] Mặc dù vậy, nguyên tố Co là mặt hàng chiến lược, giá thành đắt do đó việc cấp thiết là tìm ra vật liệu từ mới chứa ít hoặc không chứa Co Đầu tiên người ta chú ý đến những vật liệu có trữ lượng lớn ở

vỏ trái đất Mặt khác, chúng phải có mômen từ nguyên tử cao Hai nguyên tố

Nd và Fe thoả mãn các điều kiện đó [2] Các hướng nghiên cứu tập trung vào việc tìm ra vật liệu từ có thông số từ cứng tốt mà thành phần nền là Nd-Fe Năm 1983, nhóm Sawaga ở công ty Sumitomo (Nhật bản) bằng phương pháp luyện kim bột tương tự như phương pháp chế tạo SmCo5 đã chế tạo thành công nam châm vĩnh cửu có thành phần Nd8Fe77B5 có (BH)max  36,2 MGOe [11] Cũng năm đó, Croat và cộng sự ở công ty General Motors (Mỹ) bằng phương pháp phun băng nguội nhanh đã chế tạo được nam châm vĩnh cửu có thành phần Nd2Fe14B có (BH)max ~ 14 MGOe [12] Đến nay bằng phương pháp

thiêu kết, một số phòng thí nghiệm trên thế giới đã chế tạo được vật liệu từ

Nd2Fe14B có (BH)max  57 MGOe Nam châm Nd-Fe-B thiêu kết là loại nam châm rất mạnh nhưng chúng có một số nhược điểm như giá thành đắt, độ bền hóa học không cao do chứa nhiều đất hiếm Đến năm 1988, Coehoorn và các cộng sự ở phòng thí nghiệm Philip Research (Hà Lan) đã phát minh ra loại vật liệu mới có (BH)max  12,4 MGOe [13] Vật liệu này chứa nhiều pha, bao gồm hai pha từ mềm Fe3B (73% thể tích), -Fe (12% thể tích) và pha từ cứng

Nd2Fe14B (15% thể tích) Các hạt từ cứng và từ mềm trong nam châm này có kích thước nanomet, ở kích thước này chúng tương tác trao đổi đàn hồi với nhau làm véc tơ từ độ của chúng định hướng song song dẫn đến từ độ bão hòa được nâng cao và tính thuận nghịch trong khử từ rất cao

Các mô hình tính toán lý thuyết cho thấy, tích năng lượng cực đại (BH)max của loại vật liệu có cấu trúc xen kẽ giữa các pha từ cứng (Nd2Fe14B,

Sm2Fe13N3 ) và pha từ mềm (-Fe, Fe3B, Fe65Co35 ) ở kích thước nanomet

có thể đạt trên 100 MGOe Trên thực tế, vật liệu loại này mới chỉ đạt cỡ 20 MGOe Như vậy, khả năng để chế tạo ra các vật liệu từ cứng có tích năng lượng cao vẫn còn rất rộng mở Hiện nay, nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới vẫn tiếp tục xây dựng các mô hình lý tưởng cho loại VLTC có cấu trúc nanomet này Các nhóm nghiên cứu thực nghiệm thì tiếp tục tìm kiếm các hợp phần mới và các công nghệ mới để nâng cao phẩm chất và làm giảm giá thành của vật liệu

1.2 VẬT LIỆU TỪ CỨNG Nd-Fe-B

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

Vật liệu từ cứng Nd-Fe-B được ứng dụng chủ yếu dưới hai dạng được gọi là: nam châm thiêu kết và nam châm kết dính Nam châm thiêu kết có tính

dị hướng và có tích năng lượng (BH)max thực tế đã đạt được cao hơn khá nhiều so nam châm kết dính có tính đẳng hướng Tuy nhiên, loại nam châm kết dính ngày càng được quan tâm nghiên cứu và ứng dụng nhiều hơn bởi công nghệ đơn giản hơn và có thể giảm được nồng độ đất hiếm (có giá thành

đắt) Nam châm kết dính đàn hồi còn là một đối tượng cho nghiên cứu cơ bản

vì các đặc trưng từ của nó gắn liền với cấu trúc nanomet trong vật liệu

* Nam châm thiêu kết Nd-Fe-B

Trong nam châm thiêu kết Nd-Fe-B, có các hạt từ kích thước vài micromet được liên kết nhau bởi một pha phi từ giàu Nd ở biên hạt Vật liệu này có tính dị hướng cao, tích năng lượng cực đại (BH)max khá lớn, kỷ lục (BH)max hiện nay đạt được trong phòng thí nghiệm là 57 MGOe, đạt 86% giá trị (BH)max tính theo lý thuyết (64 MGOe) và có lực kháng từ Hc trên 10 kOe Hiện nay nam châm loại này chiếm một tỷ phần lớn về giá trị trong công nghiệp nam châm Loại nam châm này đã có rất nhiều ứng dụng trong thực tế

* Nam châm kết dính Nd-Fe-B

Nam châm kết dính gồm các hạt hợp kim trên cơ sở Nd2Fe14 được chế tạo bằng phương pháp nguội nhanh hay phương pháp phân hủy-tái hợp trong

khí Hydro các hạt hợp kim này được kết dính với nhau bằng keo hữu cơ Mặc

dù, nam châm kết dính có tích năng lượng (BH)max nhỏ (< 12 MGOe), nhưng vẫn thu hút rất nhiều các nhà khoa học bởi khả năng phát triển và ứng dụng rộng rãi của chúng trong thực tế, do giá thành rẻ, độ bền cao và dễ chế tạo theo hình dạng mong muốn Vi cấu trúc của vật liệu này có kích thước nano

Ở kích thước này vật liệu có những tính chất mới mà ở kích thước thông thường chúng không thể có được

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

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

Vật liệu nanocomposite hay còn gọi là nam châm đàn hồi là vật liệu tổ hợp hai pha cứng mềm ở kích thước nanomet (hình 1.2)

Với cấu trúc nanomet các hạt từ cứng (Nd2Fe14B) liên kết với các hạt từ mềm (-Fe, Fe3B) thông qua tương tác trao đổi đàn hồi Tương tác này làm các véctơ mômen từ của hạt từ mềm bị "khoá" bởi các hạt từ cứng nên khó đảo chiều dưới tác dụng của từ trường ngoài, như vậy các hạt từ mềm đã bị

"cứng" hóa Do đó, chúng có Hc cỡ như của pha từ cứng nhưng từ độ bão hòa của chúng Msm lại lớn hơn Ms,c của pha từ cứng nên có khả năng cho (BH)max lớn Một cách lý tưởng là làm sao 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 ra vật liệu có phẩm chất từ tốt như được minh họa trên hình 1.3

* 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 cấu trúc Lực kháng từ thay đổi trong khoảng khá rộng từ cỡ 2 kOe đến cỡ 15 kOe và tích năng lượng thay đổi trong khoảng từ vài MGOe đến 20 MGOe Nhiệt độ Curie của vật liệu này được quyết định bởi pha từ cứng Nd2Fe14B (~

585 K) Đã có rất nhiều các công trình nghiên cứu cả về lý thuyết lẫn thực nghiệm để tìm ra vi cấu trúc tối ưu cho loại vật liệu này

Griffith M.K và các cộng sự [14] đã quan sát trên các hệ hạt có kích

H

M

Hình 1.2 Sơ đồ mô phỏng cấu trúc vật liệu nanocomposite Nd-Fe-B [3]

Hình 1.3 Sơ đồ mô phỏng sự kết hợp pha từ cứng và từ mềm của

vật liệu nanocomposite [3]

thước nhỏ hơn 20 nm và thấy rằng khi các hạt nano lân cận tương tác với nhau, trục dễ từ hóa ở vùng giáp ranh có thể bị biến đổi dẫn đến tăng cường độ từ dư Nhưng kích thước hạt nhỏ cũng làm giảm dị hướng từ và do đó làm giảm lực kháng từ Hiện tượng từ độ dư được tăng cường được giải thích một cách định tính là do tương tác của các hạt thực hiện thông qua mômen từ ở bề mặt, làm cho định hướng của các mônen này lệch khỏi trục từ hóa dễ địa phương của chúng

Hình 1.4 Cấu trúc từ trong quá trình

khử từ vật liệu nanocomposite hai pha cứng-mềm [4]

Mô hình lý tưởng của vật liệu nanocomposite Nd-Fe-B, gồm các lớp từ cứng xen kẽ với các lớp từ mềm Nghĩa là một lớp pha từ mềm nằm giữa hai lớp từ cứng mô men từ nguyên tử của các lớp này được giả thiết là song song với nhau như trên hình 1.4 Cấu hình mômen từ của lớp từ mềm được xác định bởi sự cân bằng năng lượng trao đổi và năng lượng Zeeman Các mômen từ quay một cách liên tục, giống như cấu hình mômen từ trong một vách đô-men,

từ góc  = 0 ở bề mặt đến  = max ở tâm của lớp mềm khi từ trường ngoài tác dụng Từ trường ngoài nhỏ, lớp từ mềm giữ định hướng hoàn toàn dọc theo hướng từ độ của pha cứng như kết quả của tương tác qua các bề mặt Khi trường ngoài tiếp tục tăng, vách đô-men trong lớp mềm ép liên tục vào bề mặt tiếp xúc giữa hai lớp cứng-mềm, cho đến khi nó thâm nhập vào trong lớp cứng

và quá trình đảo từ hoàn toàn xảy ra Trường tạo mầm Hn, trường mà tại đó diễn ra sự đảo từ độ từ trạng thái bão hòa, theo [15] được tính bởi công thức:

12 s2

n

s s

A H

M d

 (1.1)

trong đó, Ms, As và ds là từ độ, hằng số trao đổi và chiều dày của lớp từ mềm

Trong trường hợp các bề mặt tiếp xúc giữa các pha sắc nét và giả sử từ

độ và hằng số trao đổi là tương tự ở cả hai kiểu lớp, trường lan truyền, Hpđược tính bởi Aharoni [16] Lúc dh nhỏ, Hp sẽ rất nhỏ, khi dh = h (dh và h là chiều dầy lớp từ cứng và chiều rộng vách đô-men), Hp tăng đến giá trị lớn nhất khoảng 0,5 HA (HA là trường dị hướng pha từ cứng) còn khi dh→, Hpgiảm đến 0,25 HA Trường hợp từ độ và hằng số trao đổi trong lớp từ cứng và mềm khác nhau về giá trị thì trường lan truyền rút gọn hp = Hp/HA ở dh lớn trở thành:

1

2 1

Với 1 = MhAh/MsAs và Mh và Ah là từ độ và hằng số trao đổi của lớp

từ cứng Kết quả đo thực nghiệm trường lan truyền cho thấy hp cỡ 0,15 Giá trị này nhỏ hơn giá trị tính toán lý thuyết ở trên Nguyên nhân có thể do lớp tiếp xúc giữa các lớp trong vật liệu thực tế không sắt nét lý tưởng, trong khi trường lan truyền lại tỉ lệ trực tiếp với đạo hàm của năng lượng vách đô-men trên diện tích Đó là những yếu tố gây lên sự sai khác trong giá trị tính toán 1.3 CƠ CHẾ ĐẢO TỪ VÀ LỰC KHÁNG TỪ TRONG NAM CHÂM Nd-Fe-B

1.3.1 Cơ chế đảo từ

Ở trạng thái khử từ nhiệt, nam châm tồn tại các đômen từ, các đômen này được ngăn cách bởi vách đômen Việc hình thành các đômen từ được giải thích trên cơ sở nguyên lý cực tiểu năng lượng của một hệ ở trạng thái bền Dưới tác dụng của từ trường ngoài, vách đômen sẽ dịch chuyển theo xu hướng đômen thuận lợi được mở rộng và đômen không thuận lợi bị thu hẹp,

để có lợi về mặt năng lượng Dựa vào khả năng dịch chuyển vách đômen người ta đưa ra hai cơ chế chính tạo lực kháng từ: cơ chế mầm đảo từ (nam châm mầm đảo từ-Nucleation) và cơ chế hãm dịch chuyển vách đômen hay

cơ chế ghim vách đômen (nam châm loại ghim vách đômen-Pinning) [17] Hai đại lượng cần để mô tả các cơ chế đảo từ này đó là trường tạo mầm HN,

được định nghĩa là giá trị của từ trường (ngược với hướng từ hóa ban đầu) mà tại đó các mầm đảo từ bắt đầu xuất hiện (hình 1.5) và HP là từ trường đủ để làm dịch chuyển vách đômen Lưu ý rằng khi một mầm đảo từ được hình thành cùng với một vách đômen tương ứng, vách đômen này không thể dịch chuyển khi giá trị từ trường ngoài đảo chiều chưa vượt quá HP

Hai cơ chế lực kháng từ trên được hình thành liên quan đến quá trình đảo từ độ của nam châm từ cứng Cơ chế đầu được điều khiển bằng mầm đảo

từ Cơ chế lực kháng từ còn lại được điều khiển bằng quá trình dịch chuyển vách đômen Tuy nhiên, hai quá trình này không xảy ra độc lập mà thường xảy ra đồng thời trong vật liệu [19], [20] Cơ chế nào trội hơn phụ thuộc vào bản chất và các thông số vi cấu trúc của vật liệu đó Không có phép đo đơn lẻ nào có thể đưa ra kết luận chính xác về cơ chế lực kháng từ trong nam châm

mà phải cần đến bốn phép đo bao gồm: đường từ hóa ban đầu, đường từ trễ chưa bão hòa, lực kháng từ phụ thuộc nhiệt độ và lực kháng từ phụ thuộc góc

Hình 1.5 Minh họa quá trình từ

hóa, khử từ và vị trí trường tạo mầm

H N [18]

Hình 1.6 Đường từ hoá ban đầu và

đường từ trễ của nam châm loại mầm đảo từ và nam châm loại ghim vách

đômen [9]

Trước tiên, cơ chế lực kháng từ có thể phân biệt thông qua quan sát

đường cong từ hóa ban đầu ở trạng thái khử từ nhiệt (hình 1.6) Độ cảm từ ban đầu cao cho thấy vách đômen di chuyển dễ dàng và ngược lại độ cảm từ ban đầu thấp có thể do vách đômen bị ghim Với các mẫu đã được khử từ hoàn toàn (khử từ bằng nhiệt độ), cơ chế lực kháng từ được xác định thông qua sự phụ thuộc của kích thước hạt D với kích thước tới hạn đơn đômen Dsd Trong trường hợp D > Dsd, hạt có cấu trúc đa đômen Nếu trong hạt không chứa các tạp hay tâm ghim thì độ cảm từ ban đầu của mẫu là lớn (đường 1 hình 1.6) bởi vì vách đômen di chuyển tự do Khi đó, từ trường cần thiết để làm vách đômen dịch chuyển là NMs (Ms là từ độ bão hòa và N là hệ số khử

từ của các hạt) và quá trình đảo từ độ được điều khiển bằng mầm đảo từ Nếu các hạt không đồng nhất, vách đômen được ghim ở những vị trí này trong hạt

Để di chuyển vách đômen, từ trường ngoài phải lớn hơn trường HP, và độ cảm

từ ban đầu của mẫu là thấp (đường 2 hình 1.6) Trong trường hợp đó, cơ chế trội hơn là cơ chế mầm nếu HN > HP và là cơ chế ghim nếu HN < HP Với những hạt đơn đômen, D  Dsd độ cảm từ sẽ luôn luôn là thấp và không phụ thuộc vào sự bất đồng nhất trong các hạt Quá trình đảo từ của các hạt đơn đômen sẽ diễn ra chỉ bằng sự quay từ độ và đòi hỏi một từ trường ngoài lớn

Phép đo khác để nhận biết cơ chế lực kháng từ đó là phép đo các đường

từ trễ chưa bão hòa (vật liệu chưa được từ hóa bão hòa) Becker J J đã chỉ ra rằng giá trị lực kháng từ sẽ phụ thuộc vào cường độ từ trường từ hóa ban đầu [21] Trong vật liệu cơ chế mầm đảo từ, giá trị cường độ từ trường từ hóa tối thiểu cần thiết để có được lực kháng từ tối đa là nhỏ hơn nhiều so với lực kháng từ Ngược lại, với vật liệu kiểu cơ chế ghim, trường từ hóa tối thiểu tương đương với lực kháng từ Tuy nhiên, trong trường hợp vật liệu chứa các hạt đơn đômen, cơ chế mầm sẽ dẫn đến kết quả tương tự như cơ chế ghim của vật liệu đa đômen Vì vậy, việc xác định cơ chế lực kháng từ dựa trên các đường từ trễ chưa bão hòa đòi hỏi phải biết được cỡ hạt đơn đômen và cỡ hạt trung bình Lực kháng từ phụ thuộc vào góc trong vật liệu đẳng hướng ít có ý nghĩa thực nghiệm Do đó, phép đo lực kháng từ phụ thuộc nhiệt độ là cần

thiết hơn

Hướng từ độ ban đầu Hướng từ độ đảo Vách Block Hướng dịch vách Block

Tâm hãm vách

Hình 1.7 Vi cấu trúc của mầm đảo từ và ghim vách đômen Các mầm đảo từ

có thể ở trong hạt (A) hoặc biên hạt (B) và tâm hãm vách ở vị trí C [9]

Phép đo này cùng với các phép đo đường từ hóa ban đầu và đường từ trễ không bão hòa làm sáng tỏ cơ chế lực kháng từ trong nam châm Sự khác nhau giữa hai cơ chế lực kháng từ trong phép đo lực kháng từ theo nhiệt độ thể hiện qua sự làm khớp với các mô hình tính toán lý thuyết [22], [23]

Như đã trình bày ở trên, lực kháng từ không chỉ được quy định bởi tính chất từ nội tại của nam châm mà còn bị ảnh hưởng mạnh bởi vi cấu trúc của

nó Hình 1.7 mô tả vi cấu trúc của mầm đảo từ và ghim vách đômen Khi các khuyết tật nhỏ, phân tán trong hạt (vị trí A) hoặc biên hạt (vị trí B) thì trường trao đổi, trường khử từ và trường dị hướng tạo ra các mầm đảo từ cục bộ trong vật liệu làm suy giảm lực kháng từ Vì vậy, để tăng lực kháng từ trong nam châm loại mầm đảo từ cần phải giảm thiểu lượng tâm sai hỏng phân tán trong các hạt và làm nhẵn bề mặt hạt bằng cách thiêu kết có pha lỏng và xử lý nhiệt Tuy nhiên, khi kích thước các sai hỏng lớn và nhiều thì chúng lại có tác dụng ghim vách đômen như vị trí C Quá trình đảo từ phụ thuộc vào vi cấu trúc của vật liệu được thể hiện trên hình 1.8 Đối với nam châm đẳng hướng các hạt không tương tác, đường cong đảo từ (khử từ) đi theo đường chấm gạch Do tính chất đẳng hướng nên các hướng của trục dễ là ngẫu nhiên, dẫn đến khi từ trường ngoài giảm về 0, mômen từ tổng cộng Mr2 bằng M/2 Tiếp tục giảm từ trường ngoài về giá trị âm, các mômen từ theo hướng từ trường

ngoài làm cho từ độ giảm dần và độ

vuông đường từ trễ thấp Đối với nam

châm dị hướng, sau khi được từ hoá

bão hoà, toàn bộ các mômen từ nằm

theo hướng trục dễ và song song với

nhau Vì vậy, khi giảm từ trường ngoài

về 0, từ độ trong mẫu vẫn được giữ

nguyên gần như trạng thái bão hoà, do

đó ở trạng thái từ dư Mr1  Ms Tiếp

tục giảm từ trường ngoài về giá trị âm,

mômen từ của mẫu không đổi cho đến

khi từ trường ngoài có giá trị đủ lớn bằng HN

Tuy nhiên, với nam châm có cơ chế lực kháng từ kiểu ghim vách đômen, quá trình đảo từ không xảy ra một cách dễ dàng như vậy do sự có mặt của các tâm hãm vách liên kết như vị trí C trong hình 1.7 Do đó, các mômen

từ không đảo đột ngột và đường cong khử từ trong trường hợp này sẽ lớn hơn

so với nam châm mầm đảo từ (đường liền nét ABC’)

1.3.2 Lực kháng từ trong nam châm Nd-Fe-B

* Nam châm loại mầm đảo từ

Trong nam châm loại mầm đảo từ, các vách đômen trong hạt di chuyển tương đối dễ dàng Khi bị từ hóa, ngay ở giá trị từ trường ngoài còn nhỏ, do vách đômen di chuyển dễ dàng làm cho đômen thuận lợi được mở rộng, từ độ của mẫu tăng rất nhanh, độ từ thẩm trong giai đoạn này rất lớn Quá trình từ hóa trong giai đoạn này có tính thuận nghịch cao Tiếp tục tăng từ trường ngoài, mẫu nhanh chóng đạt đến trạng thái bão hoà Quá trình khử từ chỉ diễn

ra mạnh khi từ trường ngoài tác dụng theo chiều ngược lại đạt đến giá trị HN,

tức là mầm đảo từ bắt đầu hình thành và phát triển Để có lực kháng từ cao

Hình 1.8 Các đường cong mô tả

quá trình đảo từ của vật liệu có cấu

trúc khác nhau [5]

a) b) c)

Hình 1.9 Minh hoạ đường từ trễ cho các loại nam châm khác nhau: tạo mầm

đảo từ ở vách (a), mầm đảo từ không đồng nhất và ghim vách đômen ở biên hạt (b), mầm đảo từ không đồng nhất và phân bố trong các hạt (c) [18]

đòi hỏi sự dịch chuyển vách đômen phải được ngăn cản tại biên hạt, đây là yêu cầu tiên quyết đối với nam châm loại tạo mầm

Hc = HN > HP Hc = HP > HN Hc = HP

Mặt khác, để thu được lực kháng từ tốt nhất cần phải tác dụng vào nam châm một trường bão hòa dương cực đại Hsmax, là từ trường đủ mạnh để làm tất cả các vách đômen trong mẫu bị triệt tiêu Nếu từ trường từ hóa nhỏ hơn

Hsmax thì có thể vẫn còn tồn tại các đômen có từ độ ngược hướng với véctơ từ

độ bão hòa Sau khi từ trường ngoài có độ lớn đạt Hsmax việc hình thành các mầm đảo từ đòi hỏi một từ trường H âm ít nhất là bằng HN Nếu HN> Hp, sự khử từ hoàn toàn chỉ xảy ra khi H  HN, nghĩa là trong trường hợp này lực kháng từ bằng HN (hình 1.9a) Tuy nhiên, có thể có một cơ chế khác, giả sử rằng mầm đảo từ đã được hình thành ở các biên hạt (tại nơi có sự bất đồng nhất từ lớn) nhưng Hp > HN thì mầm đảo từ không thể phát triển Trong vùng từ trường ngoài Hp > H > HN trạng thái ghim vách đômen duy trì cho đến khi H > Hp (hình 1.9b) Trường hợp này có thể mô tả như cơ chế ghim vách đômen không đồng nhất Đồng thời, từ độ khác nhau không nhiều, lý do

là thể tích của mầm (có từ độ ngược hướng với từ độ của đômen) là rất nhỏ, hầu như có thể bỏ qua so với thể tích của toàn hạt

Mô hình mầm đã được áp dụng cho nam châm Nd-Fe-B mà trong đó pha phi từ ở biên hạt đóng vai trò làm trơn biên hạt, loại bỏ các vị trí tạo mầm

Vì vậy, nam châm rất khó bị khử từ do phải tạo ra các mầm đảo từ mới

Đã có sự phù hợp tốt giữa lý thuyết và thực nghiệm khi áp cơ chế mầm là cơ chế lực kháng từ ưu tiên cho loại nam châm thiêu kết Nd-Fe-B [24], [25], [23]

* Nam châm loại ghim vách đômen

Trong nam châm loại ghim vách đômen, quá trình từ hóa diễn ra theo cơ chế khác, các vách đômen bị ghim giữ do sự bất đồng nhất về cấu trúc trong các hạt nên không thể di chuyển ngay bên trong hạt Sự bất đồng nhất này tác động như các tâm ghim vách đômen làm chúng không thể dịch chuyển, dẫn đến sự đảo từ bị ngăn cản, ngoại trừ sự thay đổi nhỏ của từ độ do vách đômen

bị uốn cong Các dạng tâm ghim vách đômen được minh họa như trên hình 1.10

a) b) c)

Hình 1.10 Một số tâm ghim vách đômen: các tâm nằm trên vách phẳng (a),

tâm dạng thanh (b) và tâm tròn (c) [26]

Sự ngăn cản dịch chuyển vách đômen của các tâm ghim vách làm cho việc từ hoá mẫu khó khăn hơn, cụ thể là từ độ của mẫu tăng chậm khi từ trường ngoài còn nhỏ và tính thuận nghịch rất thấp Sự đảo từ chỉ xảy ra khi

từ trường ngoài ngược chiều đủ lớn (H  HP  HN) do mẫu cũng chịu cơ chế ghim vách đômen giống như quá trình từ hoá ban đầu Lực kháng từ bằng trường lan truyền vách HP, quá trình này được mô tả trên hình 1.9c.Trong vật liệu thực tế, vách đômen không di chuyển thuận nghịch Biên hạt, tạp và những sai hỏng khác có thể làm thấp năng lượng vách m ở một vị trí nào đó trong vật liệu, hoặc chúng có thể là rào cản trước vách để ngăn chặn sự dịch

chuyển vách thông qua sai hỏng [27], [28], [29] Hình 1.11a cho thấy hai loại sai hỏng trong vật liệu và ảnh hưởng của chúng lên sự dịch chuyển vách khi

từ trường ngoài vuông góc Sai hỏng phi từ làm giảm năng lượng vách địa phương do diện tích của vách giảm Trong khi đó, sai hỏng dị hướng cao làm tăng năng lượng vách địa phương Sự tương tác vách đômen với tạp được tả bằng năng lượng vách phụ thuộc vị trí w(x) (hình 1.11b)

Hình 1.11 Hai loại sai hỏng (a) và năng lượng vách đômen phụ thuộc vào

vị trí khi không có từ trường ngoài (b) [30]

Dạng năng lượng w(x) gồm năng lượng tối thiểu và tối đa để tạo ra năng lượng cản trở sự di chuyển vách [29] Lưu ý rằng, các sai hỏng cũng có thể làm thấp lực kháng từ nếu đó là các vị trí mầm đảo từ hoặc làm tăng lực kháng từ nếu đó là vị trí ghim vách đômen

Nam châm vĩnh cửu nền Sm2Co17 thuộc loại ghim vách đômen Trong nam châm này, pha SmCo5 chứa dư Cu được kết tủa bên trong pha nền, có năng lượng vách đômen thấp hơn năng lượng của pha nền Sm2Co17 Biên hạt trở thành nơi ghim vách đômen làm tăng lực kháng từ [24]

1.3.3 Sự phụ thuộc nhiệt độ của lực kháng từ

Lực kháng từ của nam châm Nd-Fe-B rất nhạy và thể hiện sự giảm đơn điệu theo nhiệt độ như trên hình 1.12 Sự phụ thuộc nhiệt độ của lực kháng từ cho thấy sự khác biệt đặc trưng trong phạm vi nhiệt độ cao và thấp Khi nhiệt

độ cao, nguồn gốc của sự suy giảm lực kháng từ là do cơ chế lực kháng từ đã chuyển từ kiểu mầm đảo từ sang kiểu tâm ghim vách đômen Trong cơ chế tâm ghim vách đômen, năng lượng nhiệt giúp đômen di chuyển vượt qua năng

Hình 1.12 Sự phụ thuộc nhiệt

độ của lực kháng từ trong một

số nam châm vĩnh cửu [31]

lượng cản dẫn đến Hc nhỏ ở nhiệt độ cao Trong khi đó, vai trò của năng lượng nhiệt là không rõ ràng trong cơ chế mầm đảo từ, bởi vì Hc phụ thuộc nhiệt độ được xác định bởi sự phụ thuộc vào nhiệt độ của cả hằng số dị hướng K1 và từ

độ bão hòa Một cách lí giải khác là ở nhiệt độ cao, biên hạt không đồng nhất

và trở thành thuận từ Sự suy giảm nhanh của lực kháng từ đã hạn chế một số ứng dụng của nam châm trong các thiết bị có nhiệt độ làm việc lớn như mô tơ, máy phát điện

1.4 MÔ HÌNH KNELLER-HAWIG

Năm 1991, Kneller và Hawig đã đưa ra mô hình lý thuyết một chiều về nam châm đàn hồi hai pha có cấu trúc nanomet dựa trên mô hình tương tác trao đổi giữa các hạt sắt từ có kích thước nanomet Đây là mô hình lý thuyết đầu tiên nghiên cứu giải thích đặc tính và các tương tác từ của nam châm đàn hồi Mô hình này giúp ta xác định được kích thước hạt cần thiết để xuất hiện được tương tác trao đổi đàn hồi từ trong vật liệu từ nanocomposite

Chúng ta đã biết, với một vật liệu từ cho trước, giới hạn lý thuyết đối với tích năng lượng cực đại được xác định bởi:

(BH)max  Js2/40 (1.3) Nghĩa là (BH)max đơn giản chỉ phụ thuộc vào độ phân cực từ bão hòa

Js = 0Ms Nhưng trên thực tế, để đạt được giới hạn (1.3) còn cần phải có cảm ứng từ dư lớn, Br  Js và trường tới hạn cho sự đảo chiều từ độ bất thuận

nghịch (trường tạo mầm đảo từ) cao HN  Js/20 = Ms/2 Do đó, về nguyên tắc, giới hạn (1.3) chỉ có thể đạt được đối với những vật liệu có hệ số dị hướng từ tinh thể K lớn,cụ thể K >> Js2/40 Thông thường, tính chất

từ của vật liệu được đánh giá qua tỷ số  = K/ (Js2/40) Nếu  >> 1 thì tính chất từ của vật liệu bị chi phối bởi dị hướng từ tinh thể K, các vật liệu này gọi là vật liệu từ cứng (vật liệu k) Ngược lại, nếu  << 1 thì năng lượng từ tĩnh đóng vai trò quyết định, và ta gọi là vật liệu từ mềm (vật liệu m) Giới hạn (1.3) chỉ có thể đạt được đối với vật liệu k Tuy nhiên, hầu hết các vật liệu k có Js thấp hơn đáng kể so với nhiều vật liệu m thông thường, trong khi lực kháng từ HcM của các vật liệu k có thể lớn hơn nhiều giá trị Ms/2 cần thiết để đạt tới giới hạn (1.3) Từ những phân tích trên cho ta thấy rằng, nam châm chỉ có thể có tích năng lượng (BH)max cao nếu vật liệu chứa đựng

cả tính từ dư cao của vật liệu từ mềm và tính kháng từ cao của vật liệu từ cứng Vậy vấn đề đặt ra là kích thước các hạt, tỉ phần tối ưu giữa hai pha đó phải thoả mãn những yêu cầu gì và phải lựa chọn công nghệ nào để đạt được những yêu cầu đó Kneller và Hawig đã giải quyết vấn đề này xuất phát từ mối quan hệ giữa vi cấu trúc và tính chất từ

Kneller và Hawig đã sử dụng mô hình một chiều để trình bày các nguyên lý cơ bản của tương tác trao đổi giữa pha từ cứng (pha k) và pha từ mềm (pha m) Theo mô hình này, vật liệu composite được coi là bao gồm một chuỗi các pha k và pha m xen kẽ nhau, nằm dọc theo trục x với độ rộng mỗi vùng tương ứng là 2bk và 2bm như trên hình 1.13 Với giả thiết dị hướng từ tinh thể là dị hướng đơn trục trong cả hai pha, trục dễ song song với trục z và vuông góc với trục x Tương tác trao đổi sắt từ được thực hiện bởi các mômen

từ của cả hai pha thông qua biên pha Một cách gần đúng có thể xem năng lượng trong vách miền chỉ bao gồm năng lượng dị hướng và năng lượng trao đổi, do đó năng lượng của mỗi đơn vị diện tích trên vách 180o xác định bởi:  = K + A(/)2 (1.4) trong đó  là độ dày vách, K là hằng số dị hướng từ tinh thể và A là hằng số

trao đổi Ở điều kiện cân bằng, () có giá trị cực tiểu, tức là d/d = 0 Từ điều kiện này, độ dày vách miền và năng lượng trên mỗi đơn vị diện tích vách miền ở trạng thái cân bằng 0 và o được xác định bởi:

0 = (A/K)1/2 (1.5) o = 2(AK)1/2 (1.6)

Để xác định kích thước tới hạn pha từ mềm (được xác định như là độ dài tương tác trao đổi toàn phần của pha m, tức là m = bcm) ta giả thiết rằng kích thước tới hạn của pha từ cứng có giá trị cỡ bk = 0k = (Ak/Kk)1/2, chú ý rằng do Kk khá lớn nên bk khá nhỏ

H.1.2 M« h×nh Kneller - Hawig

gi¶m

H.1.2 M« h×nh Kneller - Hawig

gi¶m

Hình 1.13 Mẫu vi cấu trúc một chiều và cấu trúc vi từ của vật liệu composite

tương tác trao đổi được sử dụng làm cơ sở để tính kích thước tới hạn của vùng pha, (a) độ từ hóa đạt bão hòa, (b)-(c) Sự khử từ khi tăng từ trường nghịch đảo H trong trường hợp b m >> b cm , (d) Sự khử từ trong trường hợp giảm b m đến kích thước tới hạn b cm [32]

Nếu hệ bắt đầu đảo từ từ trạng thái bão hòa (hình 1.13a) thì ban đầu từ

độ trong pha mềm không đổi, khi trường ngoài H đảo chiều và tăng dần thì sự đảo từ bắt đầu xảy ra từ giữa pha mềm

Trước hết ta xét trường hợp bm không đổi và lớn xấp xỉ độ dày vách miền

cân bằng, bm 0m = (Am/Km)1/2 >> 0k bk (vì Km << Kk) Khi quá trình đảo

từ xảy ra, trong pha mềm sẽ hình thành hai vách miền kiểu xoay (vách 180o) (hình 1.13b) Khi H tiếp tục tăng (hình 1.13c), các vách này bị đẩy về phía biên pha k, mật độ năng lượng trong các vách này tăng vượt giá trị cân bằng của nó Em = m/m > E0m = 0m/ Trong khi đó, do Kk >> Km, từ độ bão hòa

Msk trong pha k có thể xem như không đổi Quá trình này sẽ tiếp tục cho tới khi Em đạt đến mật độ năng lượng cân bằng E0k của vách pha k

Em = m/m E0k = 0k/0k = 2Kk (1.7)

Lúc này, vách miền sẽ bắt đầu xâm chiếm vào pha k dẫn đến sự đảo từ không thuận nghịch trong cả hai vùng pha m và pha k Trường tới hạn tương ứng HNo thấp hơn trường dị hướng của pha k (HNo < HAk = 2Kk / Msk)

Trong trường hợp này trường kháng từ HcM, được định nghĩa bởi M(HcM) = 0, nhỏ hơn nhiều so với trường tới hạn HNo do Msm > Msk và cũng

do ta đã giả sử rằng bm > bk Do vậy đường cong khử từ giữa Mr(H = 0) và M(HcM) = 0 là hoàn toàn thuận nghịch

Bây giờ nếu bm giảm đến giá trị nhỏ hơn độ dày vách cân bằng bm < om thì HNo giữ không thay đổi nhưng HcM tăng bởi vì nếu H < HNo thì độ dày của các vách 180o trong pha m bị giữ tại giá trị m = bm < om Từ đây độ rộng tới hạn bcm của pha m cho lực kháng từ HcM cực đại được xác định bởi (1.7) với

m = bcm Từ (1.7) chúng ta thấy rằng đối với m bé (m << om) thì m(m) 

mAm(/m)2, từ đây mật độ năng lượng Em = m/m  Am(/m)2 Thay kết quả này vào (1.7) và cho m = bcm ta tính được kích thước tới hạn của pha từ mềm:

bcm = (Am/Kk)1/2 (1.8) Với các giá trị điển hình Am = 10-11 J/m, Kk = 2.106 J/m3, ta có bcm  5

nm Như vậy, đối với trường hợp tương tác trao đổi tối ưu kích thước của pha

m là 2bcm = 10 nm Thực tế cho thấy khó có thể tính được giá trị độ dày tới hạn

lý thuyết cho pha k Tuy vậy, Kneller và Hawig cho rằng cũng rất hợp lý nếu

giả thiết rằng độ dày tới hạn của pha k thoả mãn bck = 0k = (Ak/Kk)1/2 (như đã giả thiết từ đầu) Thông thường Ak < Am vì nói chung nhiệt độ Curie của pha k

là thấp hơn pha m, điều này dẫn đến bck nhận giá trị như bcm, tức là bck bcm

Dựa vào (1.8) chúng ta có thể thấy rằng hằng số trao đổi Am của pha m càng lớn thì độ dài tương tác trao đổi bcm của pha mềm càng lớn Ngược lại, hằng số dị hướng từ tinh thể Kk của pha k càng lớn thì độ dài tương tác trao đổi bcm của pha m càng nhỏ Các tham số từ khác được tính theo (1.8) như sau:

 Từ độ bão hòa trung bình của vật liệu xác định bởi:

MS = vkMsk + (1-vk)Msm (1.9) trong đó Msk, Msm lần lượt là từ độ bão hoà của pha cứng và pha mềm; vk, (1-vk) là tỷ phần thể tích tương ứng Dễ thấy rằng trong trường hợp tỷ phần hai pha bằng nhau thì Ms = (Msk+ Msm)/2

 Độ từ dư rút gọn liên hệ với tỷ phần thể tích mỗi pha theo công thức:

s

sm sm k sk

rk k

s

r r

M

M)mv(1M

mvM

M

KH



  (1.11)

Nếu vật liệu có vi cấu trúc tối ưu (bm = bcm) thì lực kháng từ xác định bởi: HcM

= HN Trường hợp bm > bcm , HcM phụ thuộc bm theo công thức:

2 m sm 0

2 m cM

b

1.M2

AH

Hình 1.14 Cấu trúc hai chiều lí tưởng của nam châm đàn hồi [6]

Do mẫu Kneller và Hawig khá đơn giản không thể cho một kết quả thật

chính xác, phù hợp với cấu trúc thực Tuy nhiên, mẫu cũng đã mô tả được

một cách định lượng mối liên hệ cơ bản giữa vi cấu trúc và tính chất từ của vật liệu có tương tác trao đổi Thực nghiệm chỉ ra rằng nam châm phải bao gồm hai pha sắt từ, một trong hai pha là pha từ cứng để tạo trường kháng từ cao, còn pha kia là pha từ mềm để cho độ từ hoá bão hòa cao Hơn nữa nam châm phải có vi cấu trúc thích hợp để tăng cường tương tác trao đổi giữa hai pha từ cứng và từ mềm này, ít nhất là các hạt của pha từ mềm phải có kích thước nanô (bm  2k) và phân tán đều giữa các hạt của pha từ cứng như trên hình 1.14

Đặc tính "đàn hồi" của NCNC được thể hiện qua tính chất thuận nghịch của đường cong khử từ trong khoảng biến đổi của từ trường ngoài nhỏ hơn

HNo (hình 1.15a) Sự liên kết giữa các pha từ cứng và từ mềm trong nam châm nanocomposite và nam châm thường được minh hoạ trên hình 1.15

Tóm lại, trong nam châm đàn hồi đẳng hướng kích thước hạt trung bình

bé sẽ làm nâng cao từ độ dư cũng như lực kháng từ Trong trường hợp kích thước hạt bằng khoảng hai lần độ rộng vách đômen, tỉ phần thể tích của pha

Pha từ cứng

Nền là pha

từ mềm

Hình 1.15 Các đường cong khử từ điển hình: (a) Có tương tác trao đổi, b m =

b cm (b) Có tương tác trao đổi với vi cấu trúc dư thừa, b m >> b cm (c) Chỉ có pha từ cứng (d) Hai pha từ cứng, từ mềm không tương tác với nhau [5]

từ mềm có thể tăng trên 50% mà không làm suy giảm lực kháng từ Tuy có một vài khác biệt giữa tính toán lý thuyết và thực nghiệm, nhưng các tính toán

lý thuyết là rất cần thiết để hiểu cơ chế của các ảnh hưởng lên từ độ dư Dĩ nhiên là các kết quả thực nghiệm thu được trên vật liệu thực vẫn đóng vai trò quan trọng và trực tiếp để hiểu được cơ chế này

1.5 CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANOCOMPOSITE NỀN Nd-Fe-B BẰNG PHƯƠNG PHÁP NGUỘI NHANH

1.5.1 Phương pháp phun băng nguội nhanh

Nam châm đàn hồi tương tác trao đổi

Không thuận nghịch Thuận nghịch d)

Phương pháp phun băng nguội nhanh được Duwez và cộng sự giới thiệu vào năm 1960 Đây là một kỹ thuật làm hoá rắn nhanh hợp kim nóng chảy, ban đầu phương pháp này dùng để tạo ra dung dịch rắn giả bền cho kim loại, sau đó được phát triển để tạo ra hợp kim rắn nhanh có dạng băng Nguyên tắc của phương pháp này là hợp kim được đặt một ống thạch anh có đường kính đầu vòi khoảng 0,5 đến 1 mm, ống thạch anh này được đặt trong một lò cảm ứng Khi hợp kim được đốt nóng chảy, qua đầu vòi, nó sẽ phun lên bề mặt một trống quay làm bằng đồng và nhanh chóng được làm nguội, tốc độ nguội rất cao từ 105-106 K/s, sản phẩm có dạng băng chiều dày từ 20-50 m Trống đồng có đường kính khoảng 300 mm Do lực căng bề mặt tại đầu vòi, trong một số trường hợp cần phải có một áp suất sau ống thạch anh thì hợp kim nóng chảy mới có thể rơi lên mặt trống đồng

Hình 1.16 Sơ đồ thiết bị phun băng trống quay đôi [3]

Có hai loại thiết bị nguội nhanh, thiết bị chỉ có một trống quay gọi là phương pháp nguội nhanh trống đơn và thiết bị có hai trống quay gọi là phương pháp nguội nhanh trống đôi Phương pháp trống quay đơn được sử dụng phổ biến hơn, cả trong nghiên cứu và sản xuất nam châm thương mại,

do sự đơn giản trong cấu tạo và vận hành

Tất cả các mẫu sử dụng trong luận văn đều sử dụng thiết bị loại này nên

nó sẽ được mô tả chi tiết trong phần 2.1.2

Hình 1.16 là sơ đồ thiết bị trống quay đôi, hợp kim nóng chảy qua đầu

vòi đổ vào khe giữa hai trống quay Phương pháp này có ưu điểm là làm tốc

độ nguội của hợp kim đều hơn nên trạng thái pha của mẫu khá đồng nhất Tuy nhiên, theo các nghiên cứu đã chỉ ra tốc độ nguội lại chậm hơn so với thiết bị trống quay đơn (khoảng 104 độ/s)

Hình 1.17 Hình ảnh thiết bị phun băng trống quay đơn [3]

1.5.2 Ảnh hưởng của tốc độ nguội hợp kim lỏng lên quá trình tạo pha Giản đồ C-C-T

Sự hình thành các pha cũng như quá trình tinh thể hoá hợp kim vô định hình có thể giải thích bằng giản đồ chuyển pha nguội liên tục C-C-T

Hình 1.18 trên là một minh họa giản đồ C-C-T biểu diễn các quá trình nguội của hợp kim trên hệ trục thời gian - nhiệt độ Trên giản đồ này, đường cong a tương ứng với trường hợp tốc độ nguội hợp kim lỏng là khá lớn, đủ để cản trở sự kết tinh và phát triển hạt, cấu trúc pha của sản phẩm nguội nhanh này là vô định hình Nếu quá trình nguội theo đường cong b thì cấu trúc của sản phẩm hoá rắn nhanh là sự pha trộn giữa pha vô định hình và pha vi tinh thể A, do sự kết tinh bắt đầu ngay sau khi pha vô định hình hình thành, sự khuếch tán của các nguyên tố thành phần trong pha vô định hình để hình thành pha A là khá chậm Đường cong (c) biểu diễn cho phương pháp tạo cấu trúc composite thông qua quá trình nguội đơn Để thu được cấu trúc hai pha cứng mềm, tốc độ nguội cần được chọn một cách thích hợp để tránh sự phát

Hợp kim nóng chảy

Cuộn cảm

ứng

Băng nguội nhanh

Hình 1.18 Giản đồ C-C-T biểu diễn các đường nguội tạo pha vô định

hình hoặc tinh thể hoá [6]

triển hạt ngoài ý muốn Điều này sẽ được thảo luận chi tiết, đầy đủ hơn trong các phần dưới đây Về mặt thực nghiệm việc xây dựng một giản đồ C-C-T là rất khó khăn nhưng giản đồ này rất hữu dụng để làm sáng tỏ quá trình nguội trong thực tế Đối với hệ -Fe/RE2Fe14B pha A trên hình 1.18 tương ứng với pha -Fe mà sau đó chuyển thành -Fe ở 1192 K, pha B tương ứng với pha

RE2Fe14B Quá trình tạo pha trong vật liệu hệ Fe3B/Nd2Fe14B diễn ra tương đối phức tạp hơn so với hệ -Fe/R2Fe14B Giản đồ C-C-T cho NCNC loại

Fe3B/Nd2Fe14B được minh họa trên hình 1.19

Hình 1.19 Giản đồ C-C-T cho nanocomposite Fe 3 B/Nd 2 Fe 14 B, các đường cong nguội liên tục tương ứng với các tốc độ nguội khác nhau [33]

Thời gian

Hình 1.20 Sự thay đổi nhiệt độ của băng nguội nhanh Nd 4,5 Fe 77 B 18,5

theo thời gian với các tốc độ khác nhau của trống quay [34]

Qua đó ta thấy tồn tại các đường nguội tương ứng với các pha khác nhau Quá trình nguội này được minh họa qua sự thay đổi tốc độ trống quay Tốc độ trống quay càng cao thì tốc độ nguội của hợp kim càng lớn (hình 1.20)

1.5.3 Chế tạo vật liệu nanocomposite bằng cách tinh thể hóa pha vô định hình

Mỗi hệ vật liệu có một đặc điểm kết tinh riêng, đóng vai trò quan trọng trong quá trình hình thành vi cấu trúc Các nghiên cứu về đặc điểm kết tinh của những hợp kim ba thành phần có pha thêm các nguyên tố khác cho thấy quá trình chuyển từ pha vô định hình sang pha tinh thể trải qua hai hoặc ba giai đoạn, tương ứng với sự xuất hiện của hai hoặc ba đỉnh trên giản đồ quét nhiệt vi sai (DSC) do sự giải phóng hoặc hấp thụ một nhiệt lượng (nhiệt lượng chuyển pha) Đối với hệ α-Fe/RE2Fe14B (RE là nguyên tố đất hiếm), các hạt α-Fe kết tinh trước, tiếp đến là một pha trung gian giả bền hình thành rồi mới đến pha RE2Fe14B Do đó, trong vật liệu luôn tồn tại các hạt α-Fe có kích thước lớn, làm giảm tính chất từ Vì vậy, để thu được pha từ cứng thì nhiệt độ

ủ cần phải cao và thời gian ủ nên ngắn để tránh sự phát triển kích thước hạt

Thời gian (ns)

1,9.105 K/s khi v s = 5m/s 4,3.10 5 K/s khi v s = 10m/s 2,7.105 K/s khi v s = 7m/s 0,84.105 K/s khi v s = 3m/s

của pha α-Fe [35]

Hình 1.21 Các giản đồ nhiệt dung quét vi sai của vật liệu vô định hình

Nd 4,5 Fe 77 B 18,5 với các tốc độ quét nhiệt khác nhau [36]

Quá trình tinh thể hoá hợp kim vô định hình để tạo NCNC

Fe3B/Nd2Fe14B trải qua hai giai đoạn Giai đoạn đầu pha Fe3B có cấu trúc tứ giác (tetragonal) được hình thành, giai đoạn thứ hai quá trình tinh thể hoá hợp kim vô định hình còn dư để hình thành pha Nd2Fe14B Sự chuyển pha này sẽ giải phóng hoặc hấp thu một lượng nhiệt (nhiệt chuyển pha), vì vậy sẽ làm xuất hiện một đỉnh trên giản đồ quét nhiệt vi sai (DSC)

Hình 1.21 là các đường cong DSC thu được trong quá trình cấp nhiệt liên tục cho băng nguội nhanh Nd4,5Fe77B18,5 Hai đỉnh trên giản đồ này tương ứng với hai đỉnh kết tinh của pha Fe3B và pha Nd2Fe3B Pha Fe3B kết tinh ở nhiệt độ thấp hơn Mặt khác, ta cũng có thể thấy rằng tốc độ quét nhiệt càng cao thì nhiệt độ kết tinh cũng càng lớn

Quá trình chuyển pha đẳng nhiệt có thể được mô tả trên giản đồ thời gian-nhiệt độ-chuyển pha giản đồ chuyển pha theo nhiệt độ và thời gian [Times Temperater Tranformation (T-T-T)] Để xây dựng giản đồ T-T-T, tính chất chuyển pha đẳng nhiệt phải được khảo sát rất thật cẩn thận Ví dụ tiêu biểu cho sự chuyển pha đẳng nhiệt là sự chuyển pha của băng vô định hình