Luận văn Nghiên cứu cấu trúc, tính chất từ và hiệu ứng GMI của vật liệu Fe₈₇-xZr₇B₆Cux

Nội dung tài liệu: Luận văn Nghiên cứu cấu trúc, tính chất từ và hiệu ứng GMI của vật liệu Fe₈₇-xZr₇B₆Cux

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2 NGUYỄN ĐĂNG TRƢỜNG NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC, TÍNH CHẤT TỪ VÀ HIỆU ỨNG GMI CỦA VẬT LIỆU Fe87-xZr7B6Cux Chuyên ngành: Vật lý chất rắn Mã số: 60 44 01 04 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Hữu Tình HÀ NỘI, 2016
2. LỜI CẢM ƠN Trước tiên, tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc tới TS. Nguyễn Hữu Tình người thầy đã dành cho tôi nhiều công sức, trí tuệ cùng sự động viên khích lệ, giúp đỡ tận tình và những định hướng khoa học hiệu quả trong suốt quá trình tôi thực hiện luận văn này. Tôi xin cảm ơn sự chỉ bảo, giúp đỡ ân cần, khích lệ và tạo điều kiện của PGS.TS. Nguyễn Huy Dân dành cho tôi trong suốt thời gian tôi thực hiện luận văn tại Viện Khoa học Vật liệu. Cảm ơn sự đồng hành và giúp đỡ của học viên Đỗ Văn Phương người cùng chung giáo viên hướng dẫn, đã cùng tôi hoàn thành nhiều công đoạn trong quá trình thực nghiệm và hoàn thiện luận văn. Tôi xin cảm ơn sự cộng tác và giúp đỡ đầy hiệu quả của NCS. Nguyễn Mẫu Lâm, NCS. Nguyễn Hải Yến, NCS Phạm Thị Thanh và các cán bộ, học viên khác trong Viện Khoa học Vật liệu – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Cảm ơn sự giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi về mọi mặt của Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2, Viện Khoa học Vật liệu – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, phòng thí nghiệm Vật lý chất rắn – Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Trung tâm Nghiên cứu khoa học và Chuyển giao công nghệ trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 đối với tôi trong quá trình thực hiện luận văn. Sau cùng, xin được cảm ơn và thực sự không thể quên được sự giúp đỡ tận tình của các thầy cô giáo, bạn bè, anh em gần xa và sự động viên tinh thần, giúp đỡ vật chất, tạo điều kiện về mọi mặt của những người thân trong gia đình trong suốt quá trình tôi học tập, nghiên cứu và hoàn thiện luận văn này. Hà Nội, tháng 7 năm 2016 Tác giả
3. LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan rằng số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực và không trùng lặp với các đề tài khác. Tôi cũng xin cam đoan rằng mọi sự gi p đ cho việc thực hiện luận văn này đã đƣợc cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn đã đƣợc chỉ rõ nguồn gốc Tác giả luận văn Nguyễn Đăng Trƣờng
4. MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ DANH MỤC CÁC BẢNG MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 1 NỘI DUNG ................................................................................................................. 3 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HIỆU ỨNG TỪ TỔNG TRỞ KHỔNG LỒ (GMI) ....................................................................................................................... 3 1.1 Hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ GMI ............................................................... 3 1.2. Mối quan hệ giữa cấu tr c đômen và hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ ............ 5 1.2.1 Cấu tr c đômen và tính dị hƣớng từ ...................................................... 5 1.2.2. Hiện tƣợng tách đỉnh ở đƣờng cong GMI ............................................. 7 1.2.3.Cấu tr c đômen và hiệu ứng GMI trong các dạng vật liệu khác nhau ................................................................................................................. 9 1.3. Vật liệu từ mềm nano tinh thể ..................................................................... 12 1.3.1 Cấu trúc nano tinh thể .......................................................................... 12 1. 3. 2 Các tính chất từ của vật liệu từ nano .................................................. 13 1.3.3 Ảnh hƣởng của thành phần các nguyên tố và quá trình xử lý nhiệt lên tính chất từ của hệ vật liệu Fe – Zr – B – Cu. ......................................... 16 1.4 Công nghệ nguội nhanh ............................................................................... 17 1.4.1 Các phƣơng pháp nguội nhanh chế tạo vật liệu dƣới dạng băng mỏng .............................................................................................................. 17 1.4.2 Tốc độ nguội của hợp kim nóng chảy .................................................. 18 1.5 Tốc độ nguội tới hạn .................................................................................... 20 CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO MẪU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .......................................................................................................... 23 2.1 Chế tạo mẫu hợp kim ................................................................................... 23
5. 2.1.1 Công nghệ chế tạo các vật liệu có cấu tr c vô định hình bằng thiết bị nguội nhanh đơn trục ........................................................................ 23 2.1.2 Kỹ thuật gia công mẫu ......................................................................... 25 2.1.3 Xử lý nhiệt bằng lò ủ nhiệt ................................................................... 25 2.2 Phƣơng pháp phân tích ................................................................................. 26 2.2.1 Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X – XRD (X ray diffraction) ...................... 26 2.2.2 Phƣơng pháp đo từ trên hệ đo từ kế mẫu rung (VSM) ........................ 27 2.2.3 Phƣơng pháp đo GMI ........................................................................... 29 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ........................................................ 31 3.1. Nghiên cứu cấu trúc của hợp kim Fe87-xZr7B6Cux ...................................... 31 3.2 Nghiên cứu tính chất từ của hợp kim Fe87-xZr7B6Cux ................................. 32 3.3. Nghiên cứu hiệu ứng GMI của hợp kim Fe87-xZr7B6Cux ........................... 35 3.3.1 Nghiên cứu ảnh hƣởng hàm lƣợng Cu trong hợp kim đến tỷ số GMIr của hợp kim Fe87-xZr7B6Cux. ............................................................... 35 3.3.2 Nghiên cứu ảnh hƣởng tần số đến tỷ số GMIr của hợp kim ................ 37 Fe87-xZr7B6Cux. .............................................................................................. 37 KẾT LUẬN ............................................................................................................... 39 DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................... 39
6. DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU s : Từ giảo bão hòa  : Năng lƣợng của mỗi đơn vị diện tích trên vách đômen  : Độ dày vách đômen 0 : Độ từ thẩm của chân không Ek : Năng lƣợng dị hƣớng từ tinh thể Hc : Lực kháng từ Hext : Từ trƣờng ngoài Ir, Jr, Mr : Từ độ dƣ MS : Từ độ bão hòa RC : Tốc độ nguội tới hạn Ta : Nhiệt độ ủ TC : Nhiệt độ Curie Tg : Nhiệt độ thủy tinh hóa ta : Thời gian ủ nhiệt
7. DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT GMI : Giant Magneto Impedan Hiệu ứng từ tổng trở khổng lồ GMIr : Giant Magneto Impedan ratio Tỷ số từ tổng trở khổng lồ T-T-T : Giản đồ nhiệt độ - thời gian - chuyển pha VSM : Hệ từ kế mẫu rung XRD : Nhiễu xạ tia X VĐH : Vô định hình
8. DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Từ trƣờng quanh một vật dẫn có dòng xoay chiều chạy qua. ...................... 3 Hình 1.2 Mô hình đômen của Squire [6]. ................................................................... 5 Hình 1.3 Mô hình dị hƣớng giải thích hiện tƣợng tách đỉnh của đƣờng cong tỷ số GMIr ...................................................................................................... 7 Hình 1.4 Hình dạng đƣờng cong tỷ số GMIr (có hiện tƣợng tách đỉnh) .................... 8 Hình 1.5 Đồ thị t ứng với các giá trị K khác nhau .................................................... 9 Hình 1.7 Cấu tr c đômen của màng, băng. ............................................................... 10 Hình 1.8. Cấu tr c đômen của màng mỏng đa lớp.................................................... 11 Hình 1.9 (a) Hợp kim đa nguyên tố và siêu quá bão hòa đƣợc đông cứng nhanh từ thể lỏng tạo trạng thái VĐH. (b) Khi ủ, trạng thái siêu quá bão hòa bị phá v : Cu, Zr và B với nồng độ quá bão hòa tách ra khỏi Fe. Thành phần hợp kim bị phân ly thành vùng giàu Fe và vùng giàu Cu, Zr, B, các vùng này có nhiệt độ kết tinh khác nhau Tc1 < Tc2. Nếu mẫu đƣợc ủ tại nhiệt độ: Tc1 < T < Tc2, pha α – Fe kết tinh, pha VĐH giàu Cu, Zr, B không kết tinh và bao lấy hạt tinh thể α – Fe, hạn chế hạt này trong phạm vi vài chục nano mét. (c) Cấu trúc vật liệu từ mềm nano tinh thể FeZrBCu sau khi ủ nhiệt tại Tc1 < T < Tc2. [6] ...................................................................................... 13 Hình 1.10 Quá trình truyền nhiệt. ............................................................................. 19 Hình 1.11 Hợp kim một nguyên, đƣờng 1, 2 và 3 ứng với tốc độ nguội khác nhau. ......................................................................................................... 20 Hình 2.1 Hệ phun băng nguội nhanh trong chân không ........................................... 24 Hình 2.2 Sơ đồ lò ủ nhiệt chân không. ...................................................................... 26 Hình 2.3. Mô hình hình học của hiện tƣợng nhiễu xạ tia X ...................................... 27 Hình 2.4. Sơ đồ nguyên l và ảnh chụp của hệ từ kế mẫu rung (VSM) ................... 28 Hình 2.5 Sơ đồ khối hệ đo GMI ................................................................................ 30 Hình 3.1 Giản đồ nhiễu xạ tia X 3 mẫu chƣa ủ nhiệt ................................................ 31 Hình 3. 2 Giản đồ nhiễu xạ tia X 3 mẫu đã ủ nhiệt ở 580oC trong 1h ...................... 31 Hình 3.3 Đƣờng cong từ hóa các mẫu chƣa ủ nhiệt .................................................. 33
9. Hình 3.4 Đƣờng cong từ hóa các mẫu đã ủ nhiệt ở 580oC trong 1 giờ ..................... 33 Hình 3.5 Lực kháng từ Hc phụ thuộc vào hàm lƣợng Cu các mẫu chƣa ủ................ 33 Hình 3.6 Từ độ bão hòa Ms phụ thuộc vào hàm lƣợng Cu các mẫu chƣa ủ ............. 33 Hình 3.7 Lực kháng từ Hc phụ thuộc vào hàm lƣợng Cu các mẫu đã ủ nhiệt ở 580oC trong 1 giờ ..................................................................................... 33 Hình 3.8 Từ độ bão hòa Ms phụ thuộc vào hàm lƣợng Cu các mẫu đã ủ nhiệt ở 580oC trong 1 giờ ..................................................................................... 33 Hình 3.9 Khảo sát hiệu ứng GMI mẫu M1 chƣa ủ nhiệt........................................... 35 Hình 3.10 Khảo sát hiệu ứng GMI mẫu M1 đã ủ nhiệt ở 580oC trong 1 giờ ............ 35 Hình 3.11 Khảo sát hiệu ứng GMI mẫu M2 chƣa ủ nhiệt ........................................ 35 Hình 3.12 Khảo sát hiệu ứng GMI mẫu M2 đã ủ nhiệt ở 580oC trong 1 giờ ............ 35 Hình 3.13 Khảo sát hiệu ứng GMI mẫu M3 chƣa ủ nhiệt ........................................ 36 Hình 3.14 Khảo sát hiệu ứng GMI mẫu M3 đã ủ nhiệt ở 580oC trong 1 giờ ............ 36 Hình 3.15 Đồ thị biểu diễn các cực đại tỉ số GMI các mẫu chƣa ủ nhiệt theo hàm lƣợng Cu. ......................................................................................... 36 Hình 3.16 Đồ thị biểu diễn các cực đại tỉ số GMI các mẫu đã ủ nhiệt ở 580oC trong 1 giờ theo hàm lƣợng Cu. ............................................................... 36 Hình 3.17 Đồ thị biểu diễn tỷ số GMIr theo tần số các mẫu chƣa ủ nhiệt ................ 37 Hình 3.18 Đồ thị biểu diễn tỷ số GMIr theo tần số các mẫu đã ủ nhiệt ở 580oC trong 1 giờ ................................................................................................ 37
10. DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1. Vận tốc nguội tới hạn RC trong quá trình vô định hình hợp kim. ................ 21 Bảng 2. Hệ hợp kim nền sắt. ..................................................................................... 25 Bảng 3. Kết quả khảo sát từ với các mẫu theo sự thay đổi của hàm lƣợng Cu ........ 34