Luận văn Vật liệu từ cứng nanocomposite và một số phương pháp chế tạo

Nội dung tài liệu: Luận văn Vật liệu từ cứng nanocomposite và một số phương pháp chế tạo

1. TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 KHOA VẬT LÝ NGUYỄN THỊ MINH CHÂU VẬT LIỆU TỪ CỨNG NANOCOMPOSITE VÀ MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO Chuyên ngành: Vật lí chất rắn KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Hà Nội - 2019
2. TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 KHOA VẬT LÝ NGUYỄN THỊ MINH CHÂU VẬT LIỆU TỪ CỨNG NANOCOMPOSITE VÀ MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO Chuyên ngành: Vật lí chất rắn KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Người hướng dẫn khoa học ThS. NGUYỄN MẪU LÂM Hà Nội - 2019
3. LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên em xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới ThS. Nguyễn Mẫu Lâm đã tận tình chỉ dạy, truyền đạt kiến thức, kinh nghiệm cho em trong suốt thời gian làm khóa luận tốt nghiệp này. Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến quý Thầy giáo, Cô giáo Khoa Vật lý, Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 đã bồi dưỡng và trang bị kiến thức cho em trong thời gian học tập vừa qua. Xin cảm ơn Đề tài Khoa học công nghệ cấp cơ sở Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 mã số 2018.28. Sau cùng, xin gửi lời cảm ơn đến gia đình và các bạn sinh viên đã luôn động viên, giúp đỡ tôi trong quá trình làm Khóa luận tốt nghiệp. Xin trân trọng cảm ơn! Hà Nội, ngày 02 tháng 05 năm 2019 Sinh viên Nguyễn Thị Minh Châu
4. LỜI CAM ĐOAN Khóa luận tốt nghiệp “Vật liệu từ cứng nanocomposite và một số phương pháp chế tạo” là kết quả nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của ThS. Nguyễn Mẫu Lâm. Kết quả này không trùng với kết quả của các nhóm tác giả khác. Tôi xin cam đoan những điều trên là đúng sự thật, nếu sai tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm. Hà Nội, ngày 02 tháng 05 năm 2019 Sinh viên Nguyễn Thị Minh Châu
5. MỤC LỤC MỞ ĐẦU ...................................................................................................... 1 1.Lí do chọn đề tài ........................................................................................ 1 2.Mục đích nghiên cứu ................................................................................. 2 3.Nhiệm vụ nghiên cứu ................................................................................. 2 4.Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ............................................................. 2 5.Phương pháp nghiên cứu ........................................................................... 2 6.Giả thuyết khoa học ................................................................................... 2 7.Cấu trúc khóa luận ..................................................................................... 3 NỘI DUNG ................................................................................................... 4 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VLTC NANOCOMPOSITE ................... 4 1.1.Lịch sử phát triển của VLTC nanocomposite. ........................................ 4 1.2.Một số mô hình lý thuyết về VLTC nanocomposite. ............................. 6 1.2.1. Mô hình E. F. Kneller và R. Hawig [7]. ............................................. 6 1.2.2. Mô hình Skomski-Coey [22]. ........................................................... 11 1.3.Một số hệ nanocomposite điển hình. .................................................... 15 1.3.1. Hệ nanocomposite Nd-Fe-B ............................................................. 15 1.3.2. Hệ nanocomposite nền Sm-Co ......................................................... 17 1.3.3. Hệ nanocomposite nền Mn-Bi .......................................................... 20 CHƯƠNG 2: MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO VLTC NANOCOMPOSITE .................................................................................. 22 2.1. Phương pháp phun băng nguội nhanh. ............................................... 22 2.2. Phương pháp nghiền cơ năng lượng cao. ........................................... 25 2.3. Phương pháp ép nóng đẳng tĩnh. ........................................................ 30 2.4. Phương pháp thiêu kết bằng xung điện plasma. ................................. 32 2.5. Phương pháp hóa học.......................................................................... 34 KẾT LUẬN ................................................................................................. 37 TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................... 38
6. DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT HIP: Ép nóng đẳng tĩnh. NCĐH: Nam châm đàn hồi. NCNC: Nam châm nanocomposite. NCVC: Nam châm vĩnh cửu. SPS: Thiêu kết bằng xung điện Plasma. VLTC: Vật liệu từ cứng.
7. DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Sự phát triển của nam châm vĩnh cửu theo (BH)max [3].............................. 4 Hình 1.2. Mô hình nam châm nanocomposite [9] ....................................................... 6 Hình 1.3. 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 tính kích thước tới hạn vùng pha ...................... 7 (a) độ từ hóa đạt bão hòa, (b)-(c) sự khử từ khi tăng từ trường nghịch đảo H trong trường hợp bm >>bcm , (d) sự khử từ trong trường hợp giảm bm đến kích thước tới hạn bcm. ........................................................................................................................ 7 Hình 1.4. Cấu trúc hai chiều lí tưởng của nam châm đàn hồi. .................................... 9 Hình 1.5. Các đường cong khử từ điển hình: ............................................................ 10 (a) Nam châm đàn hồi với vi cấu trúc tối ưu, bm = bcm. (b) Nam châm đàn hồi với vi cấu trúc dư thừa, bm >> bcm. (c) Nam châm sắt từ đơn pha thông thường. (d) Nam châm hỗn hợp hai pha sắt từ độc lập. ........................................................................ 10 Hình 1.6. a) Mô hình vật liệu cấu trúc lớp lý tưởng (các hạt pha cứng/mềm xen kẽ đều đặn), b) Mô hình vật liệu cấu trúc lớp thực tế chế tạo được. ............................. 12 Hình 1.7. Sự phụ thuộc của từ độ dư và lực kháng từ vào tỉ phần pha từ mềm trong hai trường hợp kích thước hạt trung bình là 10 nm và 20 nm .................................. 14 Hình 1.8. Sự phụ thuộc (BH)max theo tỉ phần pha từ mềm trong hai trường hợp kích thước hạt trung bình là 10 nm và 20 nm. .................................................................. 15 Hình 1.9. Cấu trúc tinh thể hợp kim Nd2Fe14B (a), nguyên tử B và 6 nguyên tử Fe (vị trí e và k1) tạo thành hình lăng trụ đứng đáy tam giác (b) [10]. .......................... 16 Hình 1.10. Mô hình vật liệu từ cứng nanocomposite Sm-Co/α-Fe: .......................... 18 a) lõi là pha từ cứng, b) lõi là pha từ mềm. ............................................................... 18 Hình 1.11. a) đường cong khử từ theo mô hình a. ................................................... 19 b) đường cong khử từ theo mô hình b. ...................................................................... 19 Hình 1.12. a) lực kháng từ phụ thuộc kích thước hạt và tỉ phần pha từ mềm, .......... 19 b) (BH)max phụ thuộc kích thước hạt và tỉ phần pha từ mềm. ................................... 19 Hình 1.13. Đường cong khử từ vật liệu tổ hợp: a) đẳng hướng, b) dị hướng. .......... 20 Hình 1.14. Tính chất từ của vật liệu tổ hợp: a) đẳng hướng, b) dị hướng. ............... 21
8. Hình 2.1. Sơ đồ khối hệ phun băng nguội nhanh trống quay đơn trục (a), Ảnh chụp dòng hợp kim nóng chảy trên mặt trống quay (b). .................................................... 23 Hình 2.2. Đường cong từ trễ của mẫu: Fe65Co35 (a), Nd16Fe76B8 (b), Nd16Fe76B8/30%wt.Fe65Co35 (c). ............................................................................... 24 Hình 2.3. Ảnh FESEM của mẫu Nd16Fe76B8/30%wt.Fe65Co35 với tốc độ trống quay là 25 m/s. ................................................................................................................... 25 Hình 2.4. Nguyên lý nghiền cơ năng lượng cao. ...................................................... 26 Hình 2.5. Máy nghiền cơ SPEX 8000D (a), cối và bi nghiền (b). ............................ 27 Hình 2.6. Đường cong từ trễ ở nhiệt độ phòng của vật liệu nanocomposite Mn65Ga20Al15/Fe65Co35 với 5, 10, 15, 20% trọng lượng Fe65Co35. ............................ 28 Hình 2.7. a) đường cong từ trễ, b) nhiễu xạ tia X của mẫu SmCo5/α-Fe với 10% khối lượng α-Fe được ủ với thời gian 1 giờ trong từ trường 2,8 T. .......................... 29 Hình 2.8. (a) Lực kháng từ và từ dư, (b) Từ dư rút gọn của mẫu SmCo5 + 20wt.% Fe điều chế bằng nghiền cơ trong 5 h, ủ ở các nhiệt độ khác nhau trong 1 h trong từ trường 2,8 T và không ủ trong từ trường, (c) Đường cong từ trễ của mẫu ủ ở 550oC với thời gian 1 h trong từ trường và không có từ trường. ......................................... 30 Hình 2.9. Sơ đồ quá trình ép nóng đẳng tĩnh ............................................................ 31 a) Vỏ bọc mẫu vật liệu, b) Cho mẫu vào vỏ bọc, c) Hút chân không, d) Hàn vỏ bọc mẫu, e) Ép nóng đẳng tĩnh, f) Sản phẩm. .................................................................. 31 Hình 2.10. a) Ảnh chụp thiết bị HIP tại Viện khoa học Vật liệu. ............................ 31 b) Sơ đồ mô tả buồng mẫu. ....................................................................................... 31 Hình 2.11. Sơ đồ cấu trúc của thiết bị thiêu kết xung điện plasma. .......................... 33 Hình 2.12. Vi cấu trúc và tính chất từ của nam châm dị hướng NdFeB chế tạo bằng phương pháp SPS. ..................................................................................................... 34 Hình 2.13. Mô hình cấu trúc vỏ - lõi của mẫu FePt/Co. ........................................... 36 Hình 2.14. a) Đường cong từ trễ ở nhiệt độ phòng của mẫu FePt và FePt/Co có cấu trúc lõi/vỏ với kích thước 8/4 nm; b) Sự phụ thuộc của Ms và Hc vào tổ hợp lõi/vỏ FePt/Co; c) Đường cong từ trễ ở nhiệt độ phòng của mẫu tổ hợp lõi/vỏ FePt/Co có o kích thước 8/4 nm được ủ ở nhiệt độ 300 và 350 C; d) Ms và Hc của tổ hợp FePt/Co đã ủ nhiệt với kích thước vỏ thay đổi. ....................................................................... 36
9. DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Các thông số mô phỏng của hệ SmCo5/ -Fe ................................. 18 Bảng 1.2. Tính chất của pha từ cứng, từ mềm của hệ Mn-Bi/ -Fe ................ 20 Bảng 2.1. Thông số từ của một số nam châm nanocomposite Nd-Fe-B đã được chế tạo bằng phương pháp nguội nhanh có ủ nhiệt [1]. ......................... 25 Bảng 2.2. Tính chất từ của hệ Mn65Ga20Al15/Fe65Co35 với tỉ phần khác nhau của pha từ mềm. .............................................................................................. 28 Bảng 2.3. Các điều kiện công nghệ và thông số từ của một số hệ nanocomposite nền Nd-Fe-B chế tạo bằng phương pháp HIP........................ 32
10. MỞ ĐẦU 1. Lí do chọn đề tài Vật liệu từ cứng (VLTC) là loại vật liệu từ được phát hiện và sử dụng sớm nhất trong lịch sử loài người, ban đầu là các ôxit sắt Fe34 O . Ngày nay VLTC được sử dụng rộng rãi trong thực tế, từ các thiết bị quen thuộc trong cuộc sống hằng ngày như động cơ điện, máy phát điện, vật liệu ghi từ trong ổ đĩa cứng, cho đến các thiết bị trong lĩnh vực kỹ thuật hiện đại như công nghệ thông tin, quân sự, y học. Khả năng ứng dụng VLTC vào cuộc sống ngày càng lớn đã thúc đẩy các nhà khoa học tìm kiếm những vật liệu mới cùng với việc cải tiến công nghệ chế tạo để tạo ra những VLTC tốt hơn, đáp ứng được nhu cầu của cuộc sống. Nam châm vĩnh cửu (NCVC) có cấu trúc nano được xem là nam châm thế hệ mới trong hơn một thập niên qua kể từ sau bước nhảy vĩ đại trong lịch sử vật liệu từ, đó là sự phát minh ra NCVC Nd2Fe14B của Croat và cộng sự (Mỹ), Sagawa và cộng sự (Nhật) vào năm 1983 và hiện vẫn đang là loại NCVC mạnh nhất từng được biết [4, 11, 15]. Kỷ lục (BH)max mới nhất đạt được trong phòng thí nghiệm với NCVC chế tạo theo phương pháp thiêu kết 3 3 là 444 kJ/m (57 MGOe), đạt 87% giá trị (BH)max lý thuyết 512 kJ/m (64 MGOe), và hiện nay nam châm loại này chiếm một tỉ phần lớn về giá trị trong công nghiệp nam châm. Tuy nhiên chúng có nhược điểm là tính oxy hóa cao (do hoạt tính của Nd), nhiệt độ hoạt động thấp và giá thành đắt (do chứa nhiều đất hiếm). Năm 1988, Coehoorn và các cộng sự ở Phòng thí nghiệm Philip Research đã công bố phát minh loại vật liệu mới có lực kháng từ Hc = 240 kA/m, cảm ứng từ dư Br = 1,2 T, tích năng lượng từ cực đại (BH)max = 93 3 kJ/m , nam châm 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) [21]. Lượng Nd trong nam châm loại này chỉ bằng khoảng 1/3 trong nam châm Nd2Fe14B thông thường, làm giảm đáng kể giá thành và tăng độ bền về mặt hoá học của nam châm. Để chỉ loại nam châm hai pha này người ta sử dụng thuật ngữ “nam châm tổ hợp” hay "nanocomposite". Vậy nam châm nanocomposite (NCNC) là loại nam châm có cấu trúc tổ 1