Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Vật lý Chất rắn: Chế tạo và nghiên cứu tính chất từ của vật liệu tổ hợp nano không chứa đất hiếm Mn-(Bi, Ga)/Fe-Co

Mục đích nghiên cứu của Luận án nhằm tìm được hợp phần và các qui trình chế tạo Vật liệu từ cứng không chứa đất hiếm, nền Mn-(Bi, Ga), VLTM FeCo, VLTC tổ hợp Mn-(Bi, Ga)/Fe-Co và các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất từ của vật liệu. Làm sáng tỏ cơ chế từ cứng của VLTC nền Mn-(Bi, Ga) và VLTC tổ hợp Mn-(Bi, Ga)/Fe-Co. Mời các bạn cùng tham khảo!

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI

NGUYỄN MẪU LÂM

CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT TỪ CỦA VẬT LIỆU TỔ HỢP NANO KHÔNG CHỨA

ĐẤT HIẾM Mn-(Bi, Ga)/Fe-Co

Chuyên ngành: Vật lý chất rắn

Mã số: 9.44.01.04

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ CHẤT RẮN

Hà Nội – 2020

Công trình được hoàn thành tại:

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI

Người hướng dẫn khoa học:

Trường Đại học Sư Phạm Hà Nội

Phản biện 3: PGS TS Lê Tuấn Tú

Trường Đaih học KHTN-ĐHQG Hà Nội

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Trường

họp tại Trường Đại học Sư phạm Hà Nội vào hồi … giờ … ngày … tháng 2020

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:

- Thư viện Quốc Gia, Hà Nội

- Thư viện Trường Đại học Sư phạm Hà Nội.

MỞ ĐẦU

Ngày nay, vật liệu từ cứng (VLTC) hay nam châm vĩnh cửu (NCVC) được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực khác nhau của đời sống xã hội như: động cơ, máy phát điện, máy tính, máy tuyển quặng, máy bốc dỡ hàng hóa, máy lạnh, thiết bị khoa học kĩ thuật, quân sự, thiết bị y tế, năng lượng xanh, công nghệ thông tin… Theo các số liệu thống kê thì nhu cầu sử dụng VLTC ngày càng tăng cao, vì vậy tiềm năng ứng dụng của VLTC là rất lớn Tuy nhiên

VLTC có tích năng lượng (BH) max lớn đang được ứng dụng trong thực tế đều dựa trên các nguyên tố đất hiếm như Nd, Pr, Sm, Dy Nguồn đất hiếm trên thế giới chỉ tập trung tại một

số quốc gia nhất định Vì vậy các quốc gia sử hữu nguồn đất hiếm coi đó như một lợi thế về cạnh tranh về kinh tế và chính trị trên thế giới Do nhu cầu sử dụng ngày càng tăng cao nên nguồn cung đất hiếm ngày càng bị cạn kiệt Bên cạnh đó công nghệ khai thác và tinh chế đã gây ra nhiều hệ lụy đến môi trường Vì thế các nước sở hữu đất hiếm đang hạn chế khai thác

và xuất khẩu nên các nguyên tố đất hiếm này Chính vì vậy giá thành của chúng ngày càng tăng cao Dẫn đến ảnh hưởng mạnh đến ngành sản xuất sử dụng đất hiếm nói chung và ngành công nghiệp chế tạo NCVC nói riêng

Những lý do kể trên, đã thúc đẩy các nhà khoa học về vật liệu từ trên thế giới tập trung nghiên cứu cải tiến công nghệ chế tạo để nâng cao phẩm chất từ của các hệ NCVC hiện nay Đồng thời tìm cách làm giảm hàm lượng đất hiếm trong NCVC chất lượng cao và tìm kiếm các pha từ cứng mới không chứa đất hiếm có phẩm chất từ tốt có thể thay thế một phần hoặc hoàn toàn NCVC chứa đất hiếm

VLTC không chứa đất hiếm n- i có tích năng lượng cực đại (BH) max theo lý

thuyết vào cỡ 18 MGOe, có trục c là trục d từ hóa và có dị hướng từ cao ở nhiệt độ

ph ng Lực kháng từ H c của hệ vật liệu Mn-Bi có tính chất khá thú vị Đó là trong v ng

nhiệt độ 150 – 550 K, H c tăng theo sự tăng của nhiệt độ nhiệt độ 550 người ta đã

đo được dị hướng từ tinh thể K 1 90 k e và lực kháng từ c 18 k e đây là điều kiện cho khả năng ứng dụng nam châm ở nhiệt độ cao Ngoài ra, dị hướng từ vuông góc với

mặt ph ng cơ sở của Mn-Bi gây nên hiệu góc quay err lớn hứa h n Mn-Bi là một loại vật liệu ghi quang từ cao Tuy nhiên, những công bố về VLTC Mn-Bi chủ yếu tập trung ở kích thước hạt micro mét, các công bố về VLTC Mn-Bi có kích thước hạt nano còn hạn chế Nếu đề cập đến giá thành của vật liệu Mn-Bi, thì đây là hệ hợp kim rẻ tiền Hệ VLTC thứ

hai dựa trên nền Mn là Mn-Ga, hệ này là một trong số vật liệu từ cứng không chứa đất

hiếm có dị hướng từ tinh thể lớn ở nhiệt độ phòng nên đang chú ý trong những năm gần đây Với những lí do đó hệ hợp kim Mn-( i, Ga) đã thu hút nhiều sự chú ý của các nhà khoa học trong nghiên cứu cơ bản và chế tạo NCVC không chứa đất hiếm có có khả năng ứng dụng trong thực tế.

Bên cạnh VLTC đơn pha đang được sử dụng rộng rãi hiện nay thì vật liệu từ cứng tổ hợp cũng đang được các nhà khoa học đẩy mạnh nghiên cứu Theo tính toán lý thuyết, VLTC

tổ hợp có tích năng lượng cực đại có thể lên tới 120 MGOe nếu kích thước hạt và cách sắp xếp của các pha từ phù hợp Các hệ VLTC tổ hợp và phương pháp chế tạo đang được nghiên cứu rất đa dạng, tuy nhiên phẩm chất từ đạt được về hệ vật liệu này của các nhóm nghiên cứu chưa thực sự tương xứng với các kết quả lý thuyết đã công bố

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

tạo và nghiên cứu tính chất từ của vật liệu tổ hợp nano không chứa đất hiếm Mn-(Bi, Ga)/Fe-Co”

Đối tượng nghiên cứu của luận án

- VLTC không chứa đất hiếm nền Mn-(Bi, Ga)

- Vật liệu từ mềm (VLTM) Fe-Co

- VLTC tổ hợp không chứa đất hiếm có cấu trúc nano Mn-(Bi, Ga)/Fe-Co

Mục tiêu nghiên cứu của luận án

- Tìm được hợp phần và các qui trình chế tạo VLTC nền Mn-(Bi, Ga), VLTM

Fe-Co, VLTC tổ hợp Mn-(Bi, Ga)/Fe-Co và các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất từ của vật liệu

- Làm sáng tỏ cơ chế từ cứng của VLTC nền Mn-(Bi, Ga) và VLTC tổ hợp Mn-(Bi,

Ga)/Fe-Co

Phương pháp nghiên cứu

Luận án được tiến hành bằng phương pháp thực nghiệm Các mẫu nghiên cứu được chế tạo bằng phương pháp phun băng nguội nhanh,NCNLC và các phương pháp hóa học Cấu trúc của các mẫu được nghiên cứu bằng các kĩ thuật nhi u xạ tia X (XRD), hiển vi điện

tử quét SEM và hiển vi điện tử truyền qua TEM Tính chất từ của vật liệu được khảo sát

bằng các phép đo đường từ tr M(H) trên hệ đo từ kế mẫu rung (VSM) và từ kế từ trường

xung (PFM)

Ý nghĩa khoa học của luận án

Luận án là công trình nghiên cứu cơ bản về VLTC Mn-(Bi, Ga), VLTM Fe-Co và VLTC tổ hợp Mn-(Bi, Ga)/Fe-Co Các kết quả nghiên cứu đã đạt được là cơ sở cho việc nghiên cứu chế tạo hệ VLTC và VLTC tổ hợp không chứa đất hiếm nền Mn Kết quả của luận án là cơ sở cho các nghiên cứu tiếp theo về các hệ VLTC này

Làm chủ được qui trình công nghệ giúp cho các nhóm nghiên cứu có thể chủ động

trong việc chế tạo vật liệu và các định hướng về ứng dụng

Luận án là nguồn tài liệu tham khảo có ý nghĩa cho việc nghiên cứu cơ bản về VLTC không chứa đất hiếm nền Mn-(Bi, Ga), vật liệu từ tổ hợp Mn-(Bi, Ga)/Fe-Co Mặt khác, đề tài có ý nghĩa khoa học cao trong việc ứng dụng các hiệu ứng vật lí ở kích thước nano mét cho việc tạo ra các loại vật liệu từ tiên tiến

Nội dung của luận án

- Chế tạo VLTC nền Mn-(Bi, Ga) bằng các phương pháp vật lí Khảo sát ảnh hưởng

của hợp phần và các điều kiện công nghệ đến cấu trúc và tính chất từ của hợp kim Mn-(Bi, Ga)

- Chế tạo và khảo sát ảnh hưởng của các điều kiện công nghệ lên cấu trúc và tính chất

từ của vật liệu từ mềm (VLTM) Fe-Co bằng các phương pháp nghiền cơ năng lượng cao, polyol và đồng kết tủa (Đ T)

- Chế tạo và nghiên cứu vật liệu tổ hợp nano Mn-(bi, Ga)/Fe-Co và khảo sát các điều kiện công nghệ ảnh hưởng đến tính chất từ của vật liệu

Bố cục của luận án

Luận án được trình bày trong 5 chương Chương đầu là phần tổng quan về vật liệu

từ cứng không chứa đất hiếm nền Mn-(Bi, Ga), vật liệu từ mềm Fe-Co và vật liệu từ cứng

tổ hợp nano Chương tiếp theo trình bày các kĩ thuật thực nghiệm về phương pháp chế tạo mẫu và các phép đo đặc trưng cấu trúc và tính chất từ của vật liệu Chương 3 trình bày các kết quả nghiên cứu hệ VLTC không chứa đất hiếm nền Mn-( i, Ga) đã thu được, bàn luận

về ảnh hưởng của hợp phần và các yếu tố công nghệ lên cấu trúc và tính chất từ của vật liệu Chương 4 trình bày về cấu trúc, tính chất từ hệ VLTM Fe-Co chế tạo bằng phương pháp nghiền cơ năng lượng cao, polyol và đồng kết tủa Chương 5 trình bày các kết quả về tính chất từ của hệ VLTC tổ hợp nano Mn50Bi50/Fe65Co35 và Mn65Ga20Al15/Fe65Co35

Kết quả chính của luận án

1 Đã nghiên cứu ảnh hưởng của hợp phần và các điều kiện công nghệ lên sự tạo pha cấu

trúc và tính chất từ của hai hệ hợp kim từ cứng Mn-Bi và Mn-Ga-Al Kết quả cho thấy:

Khi nồng độ Bi lớn, lực kháng từ H c của hợp kim Mn- i tăng mạnh do các hạt sắt từ của

pha nhiệt độ thấp (LTP) bị cô lập bởi các pha phi từ Tuy nhiên, từ độ bão hòa M s bị suy

giảm mạnh do tỉ phần pha LTP giảm Hợp phần tối ưu cho tính chất từ của hợp kim là

Mn50Bi50 Bằng phương pháp phun băng nguội nhanh kết hợp xử lí nhiệt có thể làm tăng tỉ

phần và rút ngắn thời gian tạo pha LTP cho hợp kim Mn- i hí Ar là môi trường nghiền

thích hợp cho phương pháp nghiền cơ năng lượng cao để chế tạo bột nano từ cứng Mn-Bi

Đã chế tạo tạo được bột nano từ cứng Mn-Bi có H c > 17 kOe, thích hợp cho việc chế tạo nam châm tổ hợp Cấu trúc và tính chất từ của hợp kim Mn-Ga-Al bị ảnh hưởng mạnh bởi

nồng độ Al Hợp phần tối ưu cho tính chất từ của hệ hợp kim này là Mn 65 Ga 20 Al 15 Môi trường nghiền tối ưu để chế tạo hạt nano Mn-Ga-Al là ethanol Các hạt nano từ cứng Mn-

Ga-Al có H c ~ 12 kOe nhỏ hơn so với hệ Mn- i nhưng độ vuông đường tr tốt hơn và thể hiện tính đơn pha từ cứng

2 Đã chế tạo hệ vật liệu từ mềm Fe-Co có kích thước nano mét bằng các phương pháp nghiền cơ năng lượng cao, polyol và đồng kết tủa Ảnh hưởng của các điều kiện phản ứng, hợp phần và chế độ xử lý nhiệt lên cấu trúc và tính chất từ của các hạt nano Fe-Co đã được khảo sát Các phương pháp chế tạo khác nhau đều cho các mẫu có kích thước hạt từ 30÷70

nm và từ độ bão hòa M s ~ 228÷232 emu/g Các mẫu bột nano Fe-Co thu được từ ba phương pháp như trên có thể d ng để chế tạo nam châm tổ hợp

3 ước đầu chế tạo thành công vật liệu từ cứng tổ hợp tổ hợp với hai hệ vật liệu

Fe65Co35/Mn50Bi50 và Fe65Co35/Mn65Ga20Al15 sử dụng pha từ cứng chưa xử lý nhiệt và pha

từ cứng đã xử lý nhiệt Tương tác trao đổi đàn hồi giữa hai pha từ cứng - từ mềm và tích

năng lượng cực đại (BH) max của vật liệu từ cứng tổ hợp phụ thuộc mạnh vào tỉ lệ pha từ

mềm và chế độ xử lý nhiệt của chúng Giá trị (BH) max lớn nhất thu được cho hai hệ

Fe 65 Co 35 /Mn 50 Bi 50 và Fe 65 Co 35 /Mn 65 Ga 20 Al 15 sử dụng pha từ cứng đã xử lí nhiệt tương ứng

là 3,8 và 4,8 MGOe

Luận án được thực hiện tại Khoa Vật lý, Trường Đại học Sư phạm Hà Nội, Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2, Phòng thí nghiệm Trọng điểm 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 LIỆU TỪ CỨNG KHÔNG CHỨA ĐẤT HIẾM Mn-(Bi,

Ga), VẬT LIỆU TỪ MỀM Fe-Co VÀ VẬT LIỆU TỪ CỨNG TỔ HỢP

1.1 Lịch sử phát triển và phân loại vật liệu từ cứng

ước đột phá trong nghiên cứu VLTC đáng quan tâm nhất là việc chế tạo được hợp kim từ cứng chứa đất hiếm (Sm-Co, Nd- e- ) có tích năng lượng tăng vượt trội so với các VLTC trước năm 1966 Đặc biệt năm 1988, Coehoorn R và các cộng sự đã phát minh vật liệu nanocomposite có (BH)max = 12 MGOe Nam châm này chứa nhiều pha từ, bao gồm hai pha từ mềm Fe3B (73% thể tích), -Fe (12% thể tích) và pha từ cứng Nd2Fe14B (15% thể tích) Tuy nhiên, các kim loại đất hiếm có giá thành ngày càng tăng cao, chủ yếu được sản xuất ở Trung uốc c ng sự hạn chế của trữ lượng và khai thác nên chúng trở thành vật liệu chiến lược của các quốc gia Điều này đã thúc đẩy các nhà khoa học nghiên cứu về vật liệu từ cứng không chứa đất hiếm Trong đó, hệ VLTC nền Mn (Mn-Bi, Mn-Ga) là các ứng cử viên tiềm năng và cho đến nay nó được các nhà khoa học ngày càng quan tâm nghiên cứu nhằm nâng cao chất lượng nam châm đáp ứng nhu cầu ứng dụng thực tế

1.2 Hệ vật liệu từ cứng không chứa đất hiếm nền Mn-(Bi,Ga)

1.2.1 Hệ vật liệu Mn-Bi

Ô cơ sở của tinh thể hợp kim MnBi có cấu trúc kiểu NiAs (lục giác), hai trục tạo với nhau một góc 120o và trục thứ ba (trục c) vuông góc với cả hai trục kia, các tham số đặc trưng của ô cơ sở là a = b = 4,287 Å và c = 6,118 Å, thuộc nhóm không gian P63/mmc Pha nhiệt độ thấp của Mn-Bi có tính dị hướng từ đơn trục lớn (K= 107 erg/cm3) và lực kháng Hc từ tăng theo nhiệt độ Vì vậy, hợp kim Mn- i được quan tâm để phát triển nam châm vĩnh cửu MnBi có từ độ bão hòa Ms là 8,5 kG, do đó về mặt lý thuyết, nó có thể tạo

ra tối đa ( )max tối đa 18 G e

1.2.2 Hệ vật liệu Mn-Ga

Hợp kim Mn-Ga với 20-40% Ga hình thành pha Mn3Ga với các loại cấu trúc khác nhau như D019 – phản sắt từ, D022 – ferri từ và L10 – sắt từ Kiểu cấu trúc D019 khá ổn định, kiểu cấu trúc D022 thời gian hình thành pha khá dài và thông qua quá trình xử lí nhiệt Tính chất từ của Mn-Ga phụ thuộc vào tỉ phần Mn/Ga

dưới ~ 730o

C Từ độ bão hòa của Fe-Co có thể đạt 24,5 kG với 35 %wt Co khi thêm Co với tỉ lệ 35% wt vào Fe, từ độ bão hòa của hợp phần Fe65Co35 đã tăng hơn 13% so với từ

độ của Fe nguyên chất Ngoài từ độ bão hòa cao, hợp kim Fe-Co hằng số dị hướng K 1

giảm khi tăng hàm lượng Co

1.4 Hệ vật liệu từ cứng tổ hợp nano

ô hình nam châm đàn hồi dựa trên lí thuyết của Kneller-Hawig và các mô hình lý thuyết khác Theo lý thuyết, nam châm tổ hợp bao gồm các pha sắt từ (cứng/mềm) có kích thước nano mét và giữa chúng có sự tương tác trao đổi Các pha từ cứng trong nam châm

tổ hợp cung cấp trường kháng từ cao, trong khi pha từ mềm cung cấp từ độ bão hòa JS lớn Sắp xếp các pha từ trong nam châm tổ hợp là pha từ mềm mềm xen kẽ các pha từ cứng Nam châm tổ hợp có phẩm chất từ vượt trội so với nam châm đơn pha Các mô hình lý

thuyết cho thấy nam châm tổ hợp có thể đạt được tích năng lượng cực đại (BH) max ~ 120

MGOe, nếu có kích thước các hạt sắt từ (10 nm) và sắp xếp một cách hợp lí

Chương 2 KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM 2.1 Phương pháp chế tạo mẫu

Luận án được thực hiện bằng phương pháp thực nghiệm.Các mẫu từ cứng được chế tạo bằng phương pháp phun băng nguội nhanh, nghiền cơ năng lượng cao và xử lý nhiệt Các mẫu VLT được chế tạo bằng phương pháp NCNLC, polyol và đồng kết tủa

2.2 Các phương pháp nghiên cứu cấu trúc và tính chất từ

2.2.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X

Khảo sát cấu trúc tinh thể bằng phương pháp nhi u xạ tia X (XRD)

2.2.2 Phương pháp hiển vi điện tử

Luận án đã sử dụng phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) và hiển vi điện tử truyền qua (TEM) để quan sát sự thay đổi vi cấu trúc của mẫu

2.2.3 Phương pháp đo từ độ bằng từ kế mẫu rung

Phương pháp đo từ kế mẫu rung (VS ) được sử dụng để đo các đường cong từ tr của các mẫu từ mềm

2.2.4 Phương pháp đo từ độ bằng từ kế từ trường xung

Phương pháp đo từ độ bằng từ kế từ trường xung (P ) được sử dụng để đo các đường cong từ tr của các mẫu từ cứng

2.2.5 Phương pháp chuyển đổi đơn vị đo và tính tích năng lượng cực đại (BH) max

Phương pháp này sử dụng phép chuyển đổi đơn vị các đại lượng để tính giá trị (BH)max

Chương 3 NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU TỪ CỨNG NỀN Mn-(Bi,Ga) 3.1 Chế tạo vật liệu từ cứng Mn-Bi

3.1.1 Chế tạo vật liệu bằng phương pháp nghiền cơ năng lượng cao

Để nghiên cứu khả năng tạo pha MnBi trong quá trình NCNLC, chúng tôi tiến hành khảo sát theo hai cách khác nhau Cách thứ nhất là nghiền mẫu Mn55Bi45 trực tiếp từ hỗn hợp các nguyên tố Mn và Bi Cách thứ hai là tạo tiền hợp kim bằng phương pháp hồ quang sau đó tiến hành NCNLC Thời gian nghiềnđược thực hiện trong khoảng 0,25 - 8 h

nghiền 6 h trong môi trường khí Ar

nghiền với thời gian 8 h trong các môi

Mn 55 Bi 45

Kết quả cho thấy, mẫu được nấu hồ quang xuất hiện nhiều đỉnh MnBi với cường độ

rõ nét hơn so với mẫu không nấu hồ quang, dẫn đến tính chất từ tốt hơn (hình 3.2) Mặt

khác, môi trường khí Ar giúp cho lực kháng từ được cải thiện đáng kể (hình 3.4) Vì vậy, môi trường nghiền để chế tạo VLTC Mn-Bi bằng phương pháp nghiền cơ năng lượng cao

là môi trường khí Ar

xử lí nhiệt t a (b) và nhiệt độ ủ T a (c) khác nhau

Lực kháng từ Hc tăng nhanh từ 7 k e đến 16 k e khi tăng thời gian nghiền từ 0,5 đến 2

h (hình 3.8) Hc cao nhất đạt được là 17 k e, tương ứng với mẫu có thời gian nghiền là 4 h Với thời gian nghiền tăng lên trên 4 h lực kháng từ Hc có xu hướng giảm Sự biến đổi của từ độ bão hòa theo thời gian nghiền (hình 3.9) Sau khi được xử lý nhiệt, ta thấy tất cả các vòng từ tr của mẫu sau khi xử lí nhiệt có độ vuông đường từ tr tốt hơn Đối với một số mẫu, lực kháng từ của chúng giảm nhưng từ độ bão h a tăng lên khá mạnh sau khi xử lí nhiệt Giá trị cao nhất của

từ độ bão hòa Ms và lực kháng từ Hc đạt được trên các mẫu đã xử lí nhiệt lần lượt là ~ 50 emu/g

và 11 kOe (hình 3.10)

3.1.2 Chế tạo vật liệu bằng phương pháp nguội nhanh

Hợp phần của hợp kim Mn- i được lựa chọn cho nghiên cứu này là Mn100-xBix (x =

42, 46, 50, 54, 58, 62 và 66) Các mẫu được phun băng nguội nhanh với vận tốc trống quay v = 10 m/s Mẫu băng thu được sau quá trình này được ủ ở các nhiệt độ khác nhau Ta

= 200 - 350oC trong các khoảng thời gian khác nhau ta = 1, 2, 3 và 4 h

độ T a = 200 (a), 250 (b), 300 (c) và 350 o C (d) với thời gian t a = 0.5 - 2 h

42 46 50 54 58 62

t

a = 1 h t

Từ độ bão hòa lớn nhất thu được với mẫu băng có nồng độ trong khoảng x = 46 –

50, trong khi đó lực kháng từ thu được trong phạm vi này là nhỏ nhất (hình 3.14) Đối với các mẫu băng được ủ nhiệt, giá trị cao nhất của từ độ bão hòa và và lực kháng từ tương ứng là trên 50 emu/g và 9 kOe (hình 3.15) Các pha phi sắt từ ảnh hưởng rất mạnh đến lực kháng từ của hợp kim Mn-Bi

3.1.3 Chế tạo vật liệu bằng phương pháp nguội nhanh kết hợp nghiền cơ năng lượng

cao

3.1.3.1 Ảnh hưởng của hợp phần

Hợp phần được lựa chọn cho nghiên cứu này là Mn100-xBix với (x 48, 50 và 52) Các mẫu băng được phun với vận tốc trống quay 10 m/s, sau đó được nghiền trong thời gian 0,5 h - 4 h với tỉ lệ bi/bột là 10:1 uá trình xử lí nhiệt được thực hiện tại các nhiệt độ khác nhau 260, 280 và 300oC với thời gian 1, 2 và 3 h

Hình 3 6 h nhiễu xạ tia X của các

Hình 3.18 Giản đồ XRD của mẫu bột

hi chưa được xử lý nhiệt, cường độ của các đỉnh nhi u xạ đặc trưng cho pha n i

còn rất yếu, tức là tỉ phần pha MnBi trong các mẫu băng thấp (hình 3.16) Sau khi xử lý nhiệt, các đỉnh đặc trưng của pha Bi giảm, cường độ đỉnh của pha từ cứng n i tăng lên (hình 3.18)

Hình 3 7 Các đường cong từ trễ của các mẫu băng

mẫu băng nghiền với thời gian 1 h

Hình 3 9 Các đường M(H) của mẫu Mn 100-x Bi x ủ nhiệt

280 o C trong thời gian 2 h

Sau khi nghiền, cả từ độ bão hòa Ms và lực kháng từ Hc của các mẫu băng đều tăng lên đáng kể (hình 3.17) Việc kết hợp các phương pháp phun băng nguội nhanh, nghiền cơ năng lượng cao và quá trình ủ nhiệt là phương pháp hiệu quả để nâng cao tỉ phần pha

n i Sau bước ủ nhiệt mẫu có lực kháng từ tốt nhất là Mn50Bi50 đạt Hc = 13,8 kOe, mẫu có lực kháng từ thấp nhất Mn48Bi52 là 11,8 kOe (hình 3.19)

3.1.3.2 Ảnh hưởng của thời gian nghiền

Hình 3.20 Kích thước hạt với thời gian nghiền khác nhau 0,5 h (a), 1 h (b), 2 h (c) và 4 h (d)

Mẫu nghiền từ 0,5 h đến 2 h cho kích thước trong khoảng 30 nm ÷ 100 nm (hình 3.20) Từ độ của mẫu có xu hướng giảm theo thời gian nghiền (hình 3.22) các đỉnh nhi u

xạ đặc trưng cho pha n i tương ứng với các thời gian nghiền đã tăng lên Tuy nhiên

mức độ thay đổi cường độ của pha này chưa mạnh (hình 3.23)

thời gian nghiền khác nhau chưa xử lí nhiệt

Hình 3.22 Đường M(H) của mẫu

Mn 50 Bi 50 với thời gian nghiền khác

nhau chưa xử lí nhiệt

Lực kháng từ Hc cho kết quả trái ngược với từ độ bão hòa, lực kháng từ tăng dần theo thời gian nghiền Thời gian nghiền 4 h cho lực kháng từ lớn nhất đạt giá trị 18,5 kOe Nhìn chung, sau quá trình nghiền tính chất từ cứng của mẫu được cải thiện rõ rệt, đó là do pha n i được tăng cường Tuy nhiên, với các thông số thực nghiệm mà chúng tôi lựa chọn, thì thời gian nghiền 2 h mẫu cho tính chất từ tốt nhất

3.1.3.3 Ảnh hưởng của chế độ xử lý nhiệt lên cấu trúc và tính chất từ

Sau khi ủ nhiệt, cường độ đỉnh của Bi

giảm rõ rệt (hình 3.23) Chứng tỏ sau khi xử lí

nhiệt các tinh thể n và i đã kết hợp với

nhau để tạo thành pha MnBi Vì vậy, tính chất

từ cứng của mẫu được cải thiện rõ rệt

Các chế độ xử lí nhiệt làm tăng từ độ

bão h a nhưng ngược lại làm giảm lực kháng

từ của vật liệu Nhiệt độ xử lí thích hợp đối

với hệ mẫu này là khoảng 280oC và thời gian

xử lí nhiệt khoảng 2 h (hình 3.25) Với nhiệt

độ ủ 280o

C, thời gian xử lí nhiệt 2 h và thời

gian nghiền 1 h mẫu cho phẩm chất từ tốt nhất, với M s = 44,2 emu/g và H c = 13 kOe

với các thời gian nghiền khác nhau và

C trong2 h