Trong quá trình từ hóa, cau trúc đômen bị thay đôi b/ Nguồn gốc của đômen từ Khái niệm về đômen tu lân dau tiên được đưa ra vào năm 1907 boi Weiss dégiải thích các tính chât đặc biệt của
PHAN LOAI VAT LIEU TU [10]
Dua theo độ cảm từ có thé phân chia thành 5 loại vật liệu như sau: d/ Nghịch tử:
Những vật liệu có tính nghịch từ khi chúng có độ cam từ có giá trị âm (x < 0), tức là độ từ hóa xuât hiện dưới tác dụng của từ trường ngoài lại có chiêu ngược với chiêu của từ trường tác dụng _> >
Các chất nghịch từ: các khí trơ, các hợp chất hữu cơ, một số kim loại (Cu, Zn, Au, Ag ), độ từ cảm của chúng khoảng 10° và ít phụ thuộc vào nhiệt độ b/ Thuận từ
Những vật liệu có tính nghịch từ khi chúng có độ cảm từ có giá tri dương (y > 0), các chất thuận từ điển hình là các hợp chất hóa học (NO), một số nhóm kim loại (nhóm sat), mudi của các kim loại thuộc nhóm chuyên tiệp.
H Độ từ cảm của chúng có giá trị trong khoảng 10° + 10° và thường phụ thuộc nhiệt độ theo định luật Curie: z= c/ Sắt từCác chat sắt từ điển hình là các kim loại Fe, Ni, Co và một số hợp kim, các kim loại đất hiém (ở nhiệt độ thấp) Với mỗi chat sắt từ có 1 nhiệt độ đặc trưng gọi là nhiệt
21 độ Curie (còn gọi là nhiệt độ tới hạn hay nhiệt độ chuyển pha tt)T, mà khi T > T, thì nó là thuận từ, còn nều T < T, thì nó là sat từ. Độ cảm từ x của các chat sat từ có giá trị dương rat lớn, rat phụ thuộc vào trường ngoài và nhiệt độ.
Khi từ hóa chúng, có hiện tượng trễ được thể hiện bằng chu trình trễ Khi H > H, thì vật đạt tới trạng thái bão hòa từ, bởi vậy ta gọi H; là trường bão hòa M, gọi là độ từ hóa còn du và H, gọi trường khử từ (kháng từ). d/ Phan sắt từ
Chat phản sắt từ cũng có nhiệt độ đặc trưng gọi là nhiệt độ Néel Ty mà khi T >
Ty thì nó trở thành thuận từ Ở dưới nhiệt độ Ty, chất phan sắt từ có độ cảm từ dương với giá trị nhỏ như của chât thuận từ.
Tuy nhiên x phụ thuộc mạnh vào tu trường, phương tac dụng của từ trường và vào nhiệt độ Một số kim loại (Cr, Mn), oxyt (MnO, NiO, FeO là các chat phản sắt từ điện hình.
Các Feri từ có tính chat rất giống với sắt từ, chỉ khác ở chỗ là chúng đều là các chất phi kim loại Các oxyt có công thức dạng MO.FezOx (M là cation hóa trị 2 như Cu*, Zn**, Mn** ) gọi là các Ferit, đó là các chat Feri từ điển hình.
CAC LOẠI VAT LIEU TU PHO BIEN
Vật liệu từ được sử dụng rất rộng rãi trong nhiều ngành ki thuật như điện ki thuật, kĩ thuật điện tử, công nghệ vật liệu
Phân loại theo bản chất vật liệu, có hai nhóm chính: vật liệu từ nhóm kim loại, hợp kim và vật liệu từ ferit.
Trong nhóm vật liệu từ kim loại và hợp kim, vật liệu từ được chia làm hai nhóm chính:
1 Vật liệu từ mềm có H, < 10 oxtet, độ thâm từ trong từ trường nhỏ và trung bình2 Vật liệu từ cứng có H, > 50 oxtet, thường các hợp kim này có độ cứng lớn.
HỊ Vat liệu từ mem
Hình 1.6: Duong cong từ trễ của một số vật liệu từ 1.3.1 Sắt non - sắt kỹ thuật
Chứa it hơn 0.5% cacbon Nó là sản phẩm dai, dễ uốn, không dễ nóng chảy như gang thô và có chứa rat ít cacbon.
Sắt non là loại từ mềm đặc sắc, thường là chứa rất ít tạp chất, không bị biến dạng và có cau trúc hạt với kích thước hạt lớn hơn nhiều bề dày vách đômen nên H, rất nhỏ Tuy nhiên công nghệ chế tạo như vậy rất tốn kém nên sắt thường có chứa các tạp chất như C, O, S, P vừa ở dạng hòa tan, vừa ở dạng hỗn hợp nên sắt kỹ thuật thường sẽ cho H, lớn và từ tính không tốt như sắt non
Trong nhiều thiết bị điện tử, điều khiến tự động cần dùng những vật liệu từ mềm C6 [yo Và {max rất lớn thì các hợp kim Fe-Ni hay còn gọi là permalloy (hợp kim có độ từ tham cao đặc biệt)
Permalloy này có từ tính rất phụ thuộc vào thành phan Và những hợp kim như vậy sẽ có 1u tang cao hơn nữa nếu được luyện qua một quy trình đặc biệt gọi là luyện từ nhiệt Hợp kim permalloy với 78% Ni có „„„lớn hơn cả, nhưng nếu hop kim hoá thêm với Mo tạo ra hợp kim 78% Ni, 19% Fe, 3 % Mo thì pmax còn lớn hơn nữa.
Vật liệu từ được nung lên trên nhiệt độ Curie và sau đó làm nguội chậm đông thời cho tác dụng của từ trường.
Phương pháp xử lý nhiệt được thực hiện như sau: nung lên 900+950°C, giữ nhiệt 1h rồi làm nguội với vận tốc nguội khoảng 100°C/h Sau đó nung lên đến 600°C , làm nguội trong không khí với vận tốc nguội 30+80°C/s.
Sau khi luyện từ nhiệt trong vật liệu đa tinh thé xuất hiện di hướng đơn trục, với hệ số năng lượng dị hướng cam ứng rất nhỏ, khi đó p rất lớn nếu từ hóa nó theo phương song song với trục dị hướng và có chu trình trễ dạng hình chữ nhật.
Khi áp dụng thêm biện pháp luyện từ nhiệt, có thé nâng cao thêm pemax Vật liệu từ được nung lên trên nhiệt độ Curie của nó, sau đó làm nguội chậm đồng thời cho tác dụng từ trường.
1.3.3 Vật liệu từ mềm đặc biệt Hợp kim có không đổi
Trong kỹ thuật và điện thoại cần sử dụng vật liệu từ mềm có không đôi, tuy nhiên chỉ có thé có không đổi trong 1 khoảng nào đó của giá trị từ trường tác dụng.
Ví dụ như hợp kim pecminva (30% Fe, 25% Co, 45% Ni) đáp ứng yêu cau trên trong từ trường nhỏ.
Ta có thể tạo vật liệu có u không đối băng cách nghiền nhỏ vật liệu sắt từ, trộn lẫn với chất kết dính phi từ rồi ép thành chi tiết, vật liệu này được gọi là điện môi sắt từ Vì thừa số khử từ rất lớn của các hạt nên cơ chế từ hóa cũng là quá trình quay thuận nghịch Do đó những vật liệu này có không đổi trong khoảng từ trường nhỏ.
Hop kim cú độ cảm từ B rat lớn nứay trong từ trường nhỏ
Vật liệu này cần dùng trong microphone, làm các cực của nam châm điện Ví dụ như pecmendua, đây là hợp kim của Fe — Co (50% Co, 48,3% Fe và 1,7% V) Nó có B,
= 2 AT ngay cả khi từ trường ngoài ~ 5 + 40 oxtét đã dat giá trị rat lớn của B.
Thường là hợp kim Ni — Cu (30% + 40% Cu) hoặc Fe — NiCr (35% Fe, 8 + 13%
Ni, còn lại là Cr)
Vì độ cảm từ của nam châm phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ nên các máy đo dùng nam châm sẽ kém chính xác Để tránh nguyên nhân trên người ta nối các nam châm băng hợp kim từ nhiệt Các hợp kim này có M (độ từ hóa) phụ thuộc vào T, trong khoảng nhiệt độ định trước (-70°C + 50°C) vì có Tc ở gần khoảng nhiệt độ đó (Tc 100°C) Khi nhiệt độ thay đổi có sự phân bồ lại từ thông giữa nam châm và mạch nối tat, sao cho từ trường trong khe của nam châm được 6n định.
Kim loại Ni là vật liệu từ giảo có 4, = -35.10° , thường ở dang lá mỏng 0.1+0.2 mm Hợp kim Fe-Al (14%Al) có 4, dương và tri tuyệt đối của nó lớn hơn Ni, đồng thời điện trở suất lớn hơn Ni 12 lần, nên là vật liệu từ giao tốt Hop kim Fe-Co có A, rat lớn,có thé đạt 1, = 130.10” khi dùng hợp kim chứa 70%Co.
VẬT LIỆU TỪ FERIT 1 Khái niệm về Ferit từ
Feri từ từ có tên gọi xuất phát từ nhóm vật liệu ferrite, là nhóm các vật liệu gdm có công thức hóa học chung là XO.Y O03 với X là một kim loại hóa tri 2, Y là kim loại hóa trị 3 (mà dùng pho biến nhất là sắt - Fe) Ô đơn vi của một ferrite sẽ
26 chứa 32 anion và 24 cation 8 cation ở vi tri A (tạo thành phân mạng từ A) sẽ bị bao quanh bởi 4 tôn 6xi theo dạng các tứ diện và 16 cation còn lạ ở vi trí B (phân mang từ B) bị bao quanh bởi 6 ion 6xi bởi mạng bát diện Day là nhóm ferrite có tên gọi chung là ferrite spinel (ví dụ ZnO.Fe,03, MnO.Fe-QO3 ), thường mang câu trúc lập phương tâm mặt Một số nhóm ferrite khác có thành phân phức tạp hơn mang cầu trúc lục giác ví dụ như ferrite Bari BaFe¡zOo, hay các ferri-garnet (YsFezO¡, 5Fe203.3Y 20s )
Tính chất từ của feri từ gần giống với sắt từ, tức là cũng có các đặc trưng như vật liệu sắt từ: từ trễ, nhiệt độ trật tự từ (nhiệt độ Curie), từ độ tự phát
Feri từ thực chất là các vật liệu gốm, bán dẫn từ, có điện trở suất và độ bên rất cao, vì thế các ferrite từ mềm thường được dùng trong các ứng dụng ở tần số cao và siêu cao (làm các lõi dẫn từ sử dụng ở từ trường tần số cao và siêu cao) trong các mạch điện tử Các ferrite lục giác có tính chất từ cứng cũng đang là loại vật liệu được dùng nhiều nhất cho các nam châm vĩnh cửu do giá thành rẻ, dễ chế tạo và độ bền cao dù có phẩm chất từ không cao như nhiều vật liệu khác Gần đây, có nhiều nghiên cứu sử dụng các hạt nano ferrite ứng dụng trong các chất lỏng từ dùng trong y, sinh học.
Ferit từ mêm có H, nhỏ, loại Ferit này có điện trở suât cao nên có thê làm việc ở tan sô cao (I00Mhz) được sử dụng rộng rãi dé làm lõi anten, biên áp, cuộn cam Ta thường gặp các loại ferit từ mềm thông dụng như Ni-Zn và Mn-Zn. e Ferit Ni-Zn
Có công thức hoá hoc: Zn/Ni;.v FezOx (0 < x < 1) Tùy theo giá tri cua x ma ta có các loại Ferit từ khác nhau trong cùng | họ.
Muốn có Ferit Zn-Ni chất lượng tốt, cần loại bỏ hoàn toàn Fe”” băng cách thiêu kết ở nhiệt độ trên 1200°C trong 3+5 giờ Nếu đem dùng ở tân số cao thì ta cần xử lý nhiệt bằng cách đem nung ở 500°C trong 10 giờ rồi làm nguội chậm.
Can chú ý là khi chế tạo Ferit cô gắng tạo được hạt bột có kích thước dụ 1000°C giữ môi trường không khí ở áp suất 25mmHg và khi làm nguội giảm xuống đến 0,lmmHg
- Khi giảm xuống dưới 1000°C, tăng khí tro Nz vào môi trường làm cho môi trường trơ hoàn toàn.
Bảng 1.2: Thông số từ của một số loại Ferit Mangan
Mã (H)m-o/Họ Hmax/Ho p (Qem) T.CC) LH, (oxten)
28 e Ferit có chu trình trễ hình chữ nhật
Ferit này rất quan trọng dùng để chế tạo lõi ferit dùng trong bộ nhớ các thiết bị tính toán, vật liệu có độ chữ nhật cao của chu trình trễ, đặc trưng bằng tỷ số Br/B, đủ lớn (>85%) Và vật liệu cũng có độ từ hoá bão hoà, điện trở riêng lớn, có H, ôn định va tốc độ đảo từ lớn.
Lõi Ferit có chu trình trễ chữ nhật thường được chế tạo từ dung dịch rắn Mg,Mn; FezO¿ mỗi bộ nhớ máy tính điện tử có thể chứa 10° + 10” lõi Ferit như vậy
Vật liệu cần có tính đồng nhất cao, trong công nghệ ta hay dung phương pháp nghiền ướt, sư ferit hóa thường xảy ra ở 900°C trong môi trường không khí rồi được nén qua khuôn (thường là kích thước lớn hơn 12 + 20% dé bù co ngót) sau đó được mài cho tới kích thước chính xác Cuối cùng thiêu kết ở 1100 + 1400°C
Bang 1.3: Thông số của một số loại ferit có chu trình trễ chữ nhật
Loại H, (oxtet) B,/B, TCC) p (Qcm) 0,12BT 0,12 0,91 115 6.10°
Ferit từ cứng có H, cao và điện trở suất rất cao (p= 10''+10'? Qem) Các pherit từ cứng chủ yếu trên co sở Ferit Bary Ferit Bary có cau trúc 6 phương và có các dạng
29 e Dang M: BaO, 6Fe203 e Dang W: BaO.2MeO.8Fe203 e Dang Y: 2BaO.2MeO0.6Fe,03
Trong đó M là các ion kim loại 2+ như Zn**, Fe**, Ní*, Co”, Mn*, MgTM
Chúng đều có cạnh a của mặt day 6 cơ bản băng 4,88A° còn cạnh c thì có giá trị thay đổi trong 1 khoảng rộng Những ion O~ và Ba” (có kích thước xấp xỉ bằng nhau) tao nên mạng xếp khít, còn những ion Fe** và MỸ” ở trong những lỗ hồng (4 mặt, 8 mặt, hai tháp).
Trong công nghệ chế tạo, Ferit Bary thường dùng phương pháp trộn oxyt sắt kim loại với muối của Bary và nghiền mịn Sau đó nung đến 1100 + 1250°C rồi lại tiếp tục nghiền Lần thiêu kết thứ 2 ở 1100 + 1300°C trong không khí Ferit Bary này thường dùng làm nam châm vĩnh cửu.
Ferit granat đất hiém được dùng nhiéu trong kỹ thuật siêu cao tan, chúng thỏa mãn được nhiều đòi hỏi khắc khe về đặc tính điện từ Ferit Granat có cầu trúc lập phương cùng với kiểu tinh thể quặng tự nhiên granat CAsFez(S1O4)s
Ferit Granat có công thức M3Fe2(FeO,)3 (1) hay là 3M203 5FezO (II)
Trong đó ion M** là Y”” hoặc các ion (3+) của nhóm lantan Ô cơ bản của Ferit
Granat chứa 8 đơn vị công thức (I) hoặc 4 đơn vị công thức (ID, tức là chứa 160 nguyên tử các loại.
1.4.5 Công nghệ tổng quát chế tạo Ferit Công nghệ chế tạo Ferit về đại thé giống như công nghệ chế tạo gồm cao cấp.
Từ nguyên liệu phải tiễn hành trộn, đóng bánh, thiêu kết tong hợp thành vật liệu ferit.
Từ vật liệu này lại đem nghiền thành bột, nén thành dạng sản phẩm rồi đem thiêu kết, hoặc từ vật liệu ferit nau chảy và đúc khuôn ra sản phẩm Quy trình tổng quát được trình bày theo sơ đồ bên dưới Chất lượng của sản phẩm phụ thuộc vào thông số của tất cả những khâu công nghệ này.
Nguyên liệu >Nghién trộn-› Ép đóng bánh > Ferit hóa > Nghién > Pha chất kết dính
Sản phẩm < Kiểm tra Thiêu kết lần 2 Ép dạng sản phẩm
Có một số phương pháp dùng chế tạo Ferit như sau: s* Phương pháp sol — gel
MOT SO PHƯƠNG PHAP KIEM TRA NHUNG THONG SO TỪ TRONG
1.5.1 Phương pháp từ thâm kế kiểm tra vật liệu từ cứng
Nguyên tắc của phương pháp nảy là mẫu đo được khép kín mạch từ bằng khung sắt non như hình bên dưới Cuộn dây lay tín hiệu W1 được cuốn ở giữa khoảng mau do còn cuộn dây từ hóa chiếm hết không gian còn lại trong khung sắt non Như vậy tác dụng khử từ do mẫu hữu hạn bị mạch từ kín loại bỏ Bởi vậy phương pháp này đặc biệt thích hợp để kiểm tra thông số của nam châm vĩnh cửu, các sản phẩm băng vật liệu từ cứng có chiều dài không lớn.
Goi từ trường tạo ra bởi cuộn dây từ hóa W; là Hạ = n.I (n là số vòng trên Im, I là cường độ dòng điện), khi đó từ trường hóa mẫu đo sẽ tính theo công thức:
H = Ho.(1-a) Trong đó œ là hăng số phụ thuộc vào dang và kích thước cụ thé của từ thâm kế.
Nhu vậy H được xác định theo I, còn B được xác định bởi cuộn dây W1 nối với điện kế xung kích
Hình 1.7: Phương pháp từ thâm kế 1.5.2 Phương pháp Q kế
Phương pháp này dung để xác định các thông số của vật liệu từ mềm như yp, tg ỗ trong dải tần số dưới IMHz Sơ đồ của phương pháp được trình bày theo hình dưới
May phát sóng hình sin, tần số œ vào mach qua biến áp T Lúc đầu chuyên mạch § ở vị trí I, điều chỉnh L và C sao cho có cộng hưởng (khi đó ampe kế A chỉ dòng cực đại)
Sau đó dời chuyên mạch sang vi trí II, điêu chỉnh Lo, rp cho mach van cộng hưởng như trước Vậy
Từ L, dựa vào công thức w= = ~ tính ra „và: oO. tgd = moot
Với Q là hệ số phẩm chat của xuyén Công suất tốn hao xuyén được tính theo công thức PP, = (ạ +r—r'.¡? voir là điện trở thuần của cuộn dây trên mâu do tonhao
1.5.3 Phương pháp đơn gián dé xác định nhanh B, và H, của vật liệu từ
B, và H, là độ từ cảm còn dư và trường khử từ rat cân đê đánh giá sản phâm Mau được đặt trong cuộn từ hóa W¡ Cuộn W; có nz vòng với diện tích S được nôi với điện kế xung kích.
Muốn xác định B, cho dòng qua W, và tăng cho đến khi mẫu bão hòa Sau đó giảm dòng xuống đến 0 Rút nhanh mẫu ra khỏi W>, điện kế xung kích chỉ o> vậy ý, =n, S.B.
Muôn xác định H, cũng từ dòng bão hòa giảm xuông 0 sau đó đảo chiêu dòng điện va tang tan dòng điện Cứ với môi giá tri của dòng ngược lại do 2 (rút nhanh mâu ra khỏi W>)
Lặp lại thao tác trên cho đến dong ngược i, thì d= 0 Từ i, tính ra H, theo các thông số của cuộn dây W,
1.5.4 Phương pháp chu trình ký
Dùng mạch điện tử đơn giản vẽ ngay trên màn hình điện tử chu trình trễ của vật liệu từ mém Sơ do như hình dưới cm Tay “a
Hình 1.10: Phuong phap chu trình ky
Nguôn G phat dòng xoay chiêu hình sin, tan sô @, vào mach từ hóa (cuộn W¡) qua biên áp T Dưới tác dụng của từ trường xoay chiêu của cuộn dây W,, trong mâu xuât hiện từ cảm xoay chiều.
Khi không có mẫu, từ thông gửi qua 2 cuộn dây W>, Wz: (y hệt nhau nhưng chiêu cuộn dây ngược nhau) mac nôi tiép luôn luôn khử nhau.
Khi có mẫu trong cuộn W> ở dau ra xuất hiện tín hiệu tỷ lệ với dB/dt Tín hiệu này qua mạch tích phân sẽ cho tín hiệu B, sau đó khuếch đại và cho vào cực Y của màn hình điện tử Vì muốn vẽ chu trình trễ trên cực X của màn hình điện tử phải có tín hiệu tỷ lệ với H và đồng bộ với tín hiệu B Muốn vậy dùng điện trở R lay 1 phan của điện thế nguồn từ hóa làm tín hiệu quét ngang đồng bộ.
Phương pháp chu trình ký này rất thuận tiện cho việc kiểm tra nhanh hàng loạt sản phẩm, thậm chí kiểm tra liên tục ngay trong dây chuyên sản xuất, ví dụ như trong dây chuyên sản xuất băng từ.
TINH HÌNH NGHIÊN CUU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC VE VAT LIEU
Vật liệu từ đã được chế tạo khá nhiều trước đây trong nước và trên Thế gidi, van dé này cũng được khảo sát khá nhiều, ví dụ như nghiên cứu anh hưởng nhiệt độ thiêu kết tới tớnh chất từ của vật liệu Ferit cú cụng thức Nig ứx+ZnạasFezOx, tong hợp và khảo sát tinh chất từ của vật liệu Ferit Zn-Ni bằng phương pháp dung gel polyacrylamide, hoặc các nghiên cứu, khảo sát sự biến thiên thông số x trong công thức Ferit Zn-Ni Ni:.
„Zn,FezO¿ tới từ tính của vật liệu Dưới đây là một vài công trình tiêu biểu đã công bố trên Thế giới:
Trong bài báo của Tseng và các đồng nghiệp (1989) đã nghiên cứu được kích thước trung bình của hạt và độ từ thâm tăng khi tăng thời gian khuấy.
Trong bài báo của Rosales và các đồng nghiệp (1998) đã khảo sát được nhiệt độ Curie, độ từ thâm của vật liệu từ Ferit Ni, Zn,Fe.O, với thông số x từ 0.3 đến 0.4 được tạo thành với nhiệt độ và thời gian khác nhau, nghiên cứu đã chứng tỏ được rằng nhiệt độ Curie, tỷ trọng và độ từ thâm tăng lên khi tăng thời gian khuấy trong quá trình tổng hợp.
Trong bài báo của Bera và các đồng nghiệp (2005) đã nghiên cứu sự tăng đáng kế của kích thước hạt và độ từ thấm khi ta giảm được độ xốp va đồng thời tăng thời gian say, nghiên cứu nay tai x = 0.7 của vat liệu từ Ferit NI¡.vZn,FesOx, điện tro suat giảm khi tăng kích thước hat.
Trong bài báo của P.B.C.Rao và các đồng nghiệp (2010) đã xem xét về tính chất điện cua hạt nano Ferit Ni — Zn có công thức Ni,.Zn,FesO,4 với x = 0.40; 0.50; 0.60 và
0.70 và kết quả là khảo sát được thông số điện trở suất p > 10° Q.cm, với giá trị điện trở suất khá nhỏ nên giúp vật liệu Ferit từ hoạt động được ở tần số cao và ton hao điện thấp.
Trong bài báo của A.C.Hee và các đồng nghiệp (2011) đã chế tạo được hạt Ferit từ với kích thước 23 + 5nm bằng phương pháp vi nhũ tương, lúc này người ta cũng đo được thông số H, ~ 25.5 Oe, tuy nhiên con SỐ này vẫn còn chưa được đạt để có thể đạt được độ từ thâm cao nhất.
Trong bài báo của Bahout và các đồng nghiệp (2013) đã nghiên cứu được sự tăng kích thước mạng tinh thé khi tăng nồng độ của Niken và kích thước hạt Ferite tăng khi tăng nhiệt độ Ferit hóa, với 0 < x < 1.
Tuy nhiên các van dé trên chỉ mới khảo sát chủ yêu ở các hạt có kích thước micro, kích thước nano thì van còn ít, nêu có các bài báo vê tông hợp được kích thước nano thì hau như họ chưa xem xét đền sự ảnh hưởng của kích thước hạt đên từ tính của vật liệu từ
Bên cạnh đó, hầu như chưa có sự khảo sát ảnh hưởng của việc thay đối thông SỐ x trong công thức đến kích thước hạt Ferit nano tinh thé (đặc biệt là các hạt đạt kích thước nano nhưng < 20nm) và khảo sát sự ảnh hưởng của thông số x đến từ tính của vật liệu Ferit nano tinh thể.
Việc mong muốn ở đây là tạo ra được các hạt có kích thước nhỏ hơn hoặc băng 20nm để giúp nó dễ tiếp cận hiện tượng siêu thuận từ như đã trình bày ở trên, khi đó dựa vào hình 1.11 trên ta thay H, sẽ có giá trị tiễn dan về 0, có thé dùng để ứng dụng vào việc tạo ra các thiết bị hấp thụ sóng radar hoạt động ở tần số cao (kHz, MHz), khi đó chỉ với tín hiệu từ trường cực nhỏ thiết bị có thé phát hiện và thé hiện tính chất cực nhạy với từ trường bên ngoài.
Bên cạnh đó, hiện nay Thế Giới đang quan tâm đến việc điều trị bệnh ung thư băng cách sử dụng các hạt nano ferit để điều khiến chúng băng máy cộng hưởng từ nhằm sinh nhiệt tiêu diệt các tế bào ung thư trong cơ thé.
CO SỞ LỰA CHỌN VÀ MỤC TIỂU CUA DE TÀI 1 Cơ sở lựa chọn đề tài
Khi hạt đạt kích thước nano và nhỏ hơn 20nm thì thường thể hiện tính chất nhạy cao với từ trường ngoài Hiện tượng này xảy ra đối với các chất sat từ có cấu tạo bởi các hạt tinh thể nhỏ.
Khi kích thước hạt lớn, hệ sẽ ở trạng thái đa đômen (tức là mỗi hat sẽ cau tạo bởi nhiêu đômen từ).
Khi kích thước hạt giảm dan, chất sẽ chuyển sang trạng thái đơn démen, có nghĩa là mỗi hạt sẽ là một đômen Khi kích thước hạt giảm quá nhỏ, năng lượng định hướng (mà chi phối chủ yếu ở đây là năng lượng dị hướng từ tinh thể) nhỏ hơn nhiều so với năng lượng nhiệt, khi đó năng lượng nhiệt sẽ phá vỡ sự định hướng song song của các mômen từ, và khi đó mômen từ của hệ hạt sẽ định hướng hỗn loạn như trong chất thuận từ.
Các ferit không có cau trúc nano thì độ từ hóa dư, lực kháng từ và nhiệt độ Curie phụ thuộc vào thành phan hóa học và cau trúc tinh thé của nó Nhưng khi có kích thước nano, nó còn chịu ảnh hưởng bởi hiệu ứng bé mặt, hiệu ứng 1 domen và hiệu ứng lượng tử.
Nếu ferit Ni-Zn có cấu trúc hạt đủ nhỏ, hạt tinh thé sẽ chỉ chứa 1 đomen thay vì là hạt đa đomen.
Ban đầu khi kích thước hạt giảm dan tới D, thì H, tăng Nếu kích thước hạt giảm xuống tới mức dưới D,, khi đó giá trị H, phụ thuộc vào kích thước hạt D theo công thức:
Trong đó g và h là hăng số.
Khi giảm dan về kích thước khoảng 40 nm, lực kháng từ H, của ferit sẽ được nâng lên rất cao, có thé tới 6.95 oxtet hay 25.5 oxtet, thậm chí tới 150 oxtet Nhưng khi đạt tới một giới hạt nhất định (D, — khoảng 20 nm hay nhỏ hơn) thì H, lại giảm dan và tiễn về giá trị 0 Hiện tượng này gọi là siêu thuận từ (hình 1.11).
Hình 1.11: Ảnh hưởng của kích thước hạt tới H,
Nguyên nhân của hiện tượng này là do năng lượng nhiệt của hạt khi này đủ lớn dé phá vỡ trật tự từ và làm hỗn loạn hướng momen từ của cả mạng tinh thé.
Hay nói cách khác, năng lượng nhiệt khi này thắng thế so với năng lượng từ dị hướng khi kích thước hạt quá nhỏ Năng lượng nhiệt sẽ phá vỡ sự định hướng song song của các momen từ, momen từ của hệ hạt sẽ định hướng hỗn loạn như trong chất thuận từ.
Thay vì momen từ của từng nguyên tử trong hạt bị ảnh hưởng bởi từ trường ngoài, thi tat cả các nguyên tử trong hạt đều đồng loạt bi ảnh hưởng.
1.7.2 Mục tiêu của đề tài - Nghiên cứu ảnh hưởng của thông số x trong Ferit Zn-Ni nano tinh thé tới kích thước hạt
-Nghiên cứu ảnh hưởng của thông số x trong Ferit Zn-Ni nano tinh thé tới từ tính của Ferit
> Giới hạn nghiên cứu của đề tài: Đề tài giới hạn nghiên cứu với điều kiện nồng độ tiền chất 0.05M, nhiệt độ thiêu kết 800°C, thời gian thiêu kết 4h.
NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
CHE TẠO MAU
Có rất nhiều phương pháp chế tạo tuy nhiên các phương pháp phân tích nhiệt, vi nhũ tương và phương pháp thủy nhiệt thì thường cho hạt có kích thước micro, ít đạt đến kích thước nano nên ở đây sử dụng phương pháp đồng kết tủa sẽ cho kết quả tối ưu. ¢ Dung muối có độ tinh khiết cao NiCls-6HO, FeCl; và ZnSO,
‹ _ Cân đủ trọng lượng muối theo công thức tính toán. ¢ Pha với nước cất theo tỷ lệ thé tích tương ứng với nông độ 0.05M ¢ Pha trộn lại, vừa pha vừa khuấy, có thé gia nhiệt nhẹ khoảng 50°C dé đảm bảo các hạt hòa tan hết e Pha dung dịch NaOH va nung tới 60°C. e Rot dung dich NaOH thành từng giọt rồi rót thật chậm vào dung dịch mudi (đang khuấy) cho đến khi tao ra kết tủa, vừa rot vừa khuấy Quá trình nay cũng vừa nung vừa cho dung dịch NaOH vào bình nhỏ giọt
‹ Khuay tiếp tục trong 6h dé hóa già, lăng đọng rồi gan lay chế phẩm. ¢ Loc rửa 7 lần rồi sấy ở 110°C trong 12h. ¢ Giã lại bột bằng cối đá trong vài phút dé tạo hat mịn. e Say để làm khô mẫu cho đến khi đạt độ âm 8 — 10% ¢ Nung mau tới 800°C trong 4 giờ dé quá trình kết tinh và ferit hóa xảy ra.
Quy trình được chế tạo như sau:
NiCI;.6HzO FeCl3.6H20 ZnSO¿./7H:O Dung dịch NaOH
Dung dịch muối hỗn hợp
Nung và khuấy (60°C — 30 phút) hh
Vv Phan tich XRD, SEM, EDX, VSM
Hình 2.1 So đồ tong quát quy trình chế tạo vật liệu Ferit
Thiết bị thí nghiệm cần có:
1 Cân điện tử độ chính xác +0.0001 g
Cốc thủy tinh Máy khuấy từ LO say
Dw FY 9 Côi nghiên bang sứ
7 Giấy lọc, nước cất, giấy quỳ
8 May hút chân không 9 Binh quả lề nhỏ giọt
1 Tính toán trong lượng muối và nước với nông độ tiền chất 0.05M a x = 0.2, Cy = 0.05M Đề tạo ra 238.65 g (1 mol) ferrite có thành phan cố định ZnọzNIo gFezO%, và tạo ra dung dịch có nông độ 0.05 M thì trọng lượng muối, lượng NaOH và nước được tính toán như sau:
Bảng 2.1: Tính toán lượng muối va nước ở nông độ 0.05 M (x =0.2)
Muối M (g/mol) | n (mol) | m(ứ) | H2O (mi) NaOH (mol)
Lượng NaOH cho vào can có lượng dư đủ nhiều dé phan ứng xảy ra triệt dé, sau đó cần lọc rửa sạch Hệ số đương lượng ở đây chọn là R= 2 có nghĩa là lượng NaOH cần cho vào gấp 2 lần so với lượng vừa đủ Với 1 mol sản phẩm thì cần 2 x 8 mol
NaOH du sau khi đồng kết tủa phải được lọc rửa nhiéu lần và thử lai băng giấy quỳ. Đề đủ lượng mẫu thí nghiệm, cần chế tạo khoảng 0.05 mol ferrite (khoảng 12g) b x = 0.36, Cụ = 0.05M
Bang 2.2: Tính toán lượng muối và nước ở nông độ 0.05 M (x = 0.36)
Muoi M (g/mol) | n (mol) | m(ứ) | H2O (ml) |NaOH (mol) NiCb-6H;O 237.66} 0.36} 85.56} 7200.0 0.72 FeCB-6H2O 27033 2| 540.66} 40000.0 6 ZnSO47H2Q, 25/54 = 0.64] 184.03] 12800.0 1.28
Bảng 2.3: Tính toán lượng muối và nước ở nồng độ 0.05 M (x =0 6)
Muối M (g/mol) | n (mol) | m(ứ) | H2O (mi) |NaOH (mol)
Bang 2.4: Tính toán lượng muối va nước ở nông độ 0.05 M (x = 0.8)
Muối M (g/mol) | n (mol) | m(ứ) | H2O (ml) |NaOH (mol)
Bang 2.5: Tinh toán lượng muối va nước ở nông độ 0.05 M (x = 0.9)
Muối M (z/mol) | n (mol) | m(ứ) | H2O (ml) |NaOH (mol)
Bang 2.6: Ky hiệu các mẫu thí nghiệm Kí hiệu mẫu X Nông độ Nhiệt độ nung Thời gian l 0.2 2 0.36 3 0.6 0.05M 800°C 4 0.8
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 1 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)
e Mục tiêu của phương pháp:
— Đo khoảng cách trung bình giữa các lớp của các nguyên tử
— Xác định hướng của đơn tinh thé hoặc hat
— Xác định cau trúc của vật liệu
— Xác định kích thước, hình dang và ứng suất bên trong của các vùng nhỏ tinh thể. e Nguyên lý:
Tuân theo định luật Bragg’s theo hình sau: [14]
RAY DIFFRACTION 7
Hình 2.2: Nguyên lý của phương pháp nhiễu xạ tia X ¢ - Hiệu quang trình giữa hai tia nhiễu xạ trên hai mặt PI và P2 là: ũ = BC + CD ồ= 2CAsin0ỉ hay 6 = 2dsin@ Â Để cú cực đại nhiễu xạ thỡ: ử = nd; trong đú: n là số nguyờn, d là bước súng của tia X
Vậy ta có công thức Bragg: nd = 2dsinÐ
Nhiễu xạ bột (Powder X-ray diffraction) là phương pháp sử dụng với các mẫu là đa tinh thể, phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất dé xác định cấu trúc tinh thé, băng cách sử dụng một chùm tia X song song hẹp, đơn sắc, chiếu vào mẫu Người ta sẽ quay mẫu và quay đầu thu chùm nhiễu xạ trên đường tròn đồng tâm, ghi lại cường độ chùm tia phản xạ và ghi phố nhiều xa bậc 1 (n= 1).
Pho nhiêu xa sẽ là sự phụ thuộc cua cường độ nhiêu xạ vào 2 lần góc nhiêu xạ (20).
Phương pháp nhiễu xạ bột cho phép xác định thành phan pha, ty phan pha, cau trúc tinh thể (các tham số mạng tinh thể) và rất dễ thực hiện
2.2.2 Phương pháp kính hiền vi điện tử quét (SEM) [14]
Kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscope — SEM), là một loại kính hiển vi điện tử có thé tạo ra ảnh với độ phân giải cao của bề mặt mẫu vật bang cach sử dụng một chùm điện tử (chùm các electron) hẹp quét trên bề mặt mẫu Việc tạo ảnh của mẫu vật được thực hiện thông qua việc ghi nhận và phân tích các bức xạ phát ra từ tương tác của chùm điện tử với bê mặt mâu vật.
Nguồn phat | - Lt | tang téc | điện tử _ — =
