Nghiên cứu chế tạo vật liệu từ cứng mn bi

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI HÀ THANH HẢI NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU TỪ CỨNG Mn-Bi Chuyên ngành : Vật lí chất rắn Mã số : 60 44 01 04 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS. TS. Nguyễn Huy Dân HÀ NỘI – 2014 LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, cho phép gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc tới PGS.TS. Nguyễn Huy Dân, thầy trực tiếp hướng dẫn khoa học, bảo tận tình tạo điều kiện tốt giúp suốt trình nghiên cứu thực luận văn. Luận văn hỗ trợ kinh phí Quỹ phát triển khoa học công nghệ Quốc gia (NAFOSTED) qua đề tài mã số 103.02-2013.49 thiết bị Phòng Thí nghiệm Trọng điểm Vật liệu Linh kiện Điện tử Phòng Vật lý Vật liệu Từ Siêu dẫn, Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam. Tôi xin cảm ơn NCS Nguyễn Mẫu Lâm, NCS Phạm Thị Thanh, NCS Nguyễn Hải Yến, NCS Dương Đình Thắng học viên cao học Lê Việt Hùng, Nguyễn Văn Thanh, Đỗ Thị Quỳnh Trang, giúp đỡ kinh nghiệm quý báu trình làm thực nghiệm, xử lí phân tích mẫu. Để đạt thành công học tập hoàn thành khóa học ngày nay, xin bày tỏ lòng biết ơn tới thầy cô khoa Vật lý Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2, thầy cô trang bị tri thức khoa học tạo điều kiện học tập thuận lợi cho suốt thời gian qua. Cuối cùng, xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc, tình yêu thương tới gia đình bạn bè - nguồn động viên quan trọng vật chất tinh thần giúp có điều kiện học tập nghiên cứu khoa học ngày hôm nay. Xin trân trọng cảm ơn! Hà Nội, tháng 12 năm 2014 Tác giả Hà Thanh Hải LỜI CAM ĐOAN Các kết số liệu nêu luận văn nghiên cứu hướng dẫn PGS.TS. Nguyễn Huy Dân. Tôi xin cam đoan kết trung thực không trùng với công trình khác công bố. Tác giả luận văn Hà Thanh Hải DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÍ HIỆU SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN Chữ viết tắt Chữ tiếng Anh đầy đủ Nghĩa tiếng Việt Vật liệu từ cứng VLTC VSM Vibrating Sample Magnetometer Từ kế mẫu rung XRD X – Ray Diffraction Nhiễu xạ tia X MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU . CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN……………… ………………………. 1.1. Vật liệu từ cứng . 1.1.1. Lịch sử phát triển……………………… . 1.1.2. Các thông số đặc trưng vật liệu từ cứng 1.2. Hợp kim Mn-Bi 1.2.1. Cấu trúc tinh thể………… . 1.2.2. Tính chất từ . 1.2.3. Một số kết nghiên cứu vật liệu Mn-Bi . 10 CHƢƠNG 2. THỰC NGHIỆM . 14 2.1. Phƣơng pháp chế tạo mẫu 22 2.1.1. Chế tạo mẫu khối . 22 2.1.2. Tạo băng nguội nhanh 22 2.1.3. Xử lý nhiệt 24 2.2. Các phép đo phân tích cấu trúc tính chất từ . 26 2.2.1. Nhiễu xạ tia X………………………………………………… 27 2.2.2. Các phép đo từ . 27 CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN . 33 3.1. Tính chất từ mẫu hợp kim khối Mn100- 33 xBix…………………… . 3.2. Ảnh hƣởngcủa tốc độ làm nguội lên tính chất từ mẫu 33 băng hợp kim Mn100-xBix 36 3.3. Cấu trúc băng hợp kim MnBi 37 3.4. Tính chất từ băng hợp kim Mn100-xBix 47 KẾT LUẬN . 48 DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC . 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO . 51 PHỤ LỤC……………… MỞ ĐẦU 1. Lí chọn đề tài Vật liệu từ cứng (VLTC) vật liệu có khả tích trữ lượng từ trường tác động lên trở thành nguồn phát từ trường, khả tích trữ lượng đặc trưng đại lượng tích lượng cực đại (BH)max vật liệu. VLTC ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực: Kim la bàn, cửa tủ lạnh, ổ cứng máy tính, mô tơ, máy phát điện, máy tuyển quặng, thiết bị khoa học kỹ thuật, thiết bị y tế…Tiềm ứng dụng lớn thúc đẩy nghiên cứu, tìm kiếm vật liệu công nghệ chế tạo mới, nhằm tạo vật liệu từ cứng ưu việt đáp ứng yêu cầu sống ngày phát triển.Việc nghiên cứu thành công nam châm vĩnh cửu chứa đất bước đột phá lịch sử phát triển vật liệu từ cứng tích lượng từ cực đại cao nó. Thế giới đẩy mạnh sản xuất loại nam châm làm cho nhu cầu đất ngày tăng, lợi ích kinh tế mà đất mang lại bù đắp lại tổn hại môi trường sức khỏe người việc khai thác gây ra. Chính thế, nay, hầu có nguồn nguyên liệu không muốn khai thác nó, Trung Quốc, nước chiếm tới 95% thị trường đất giới, năm 2010 cắt giảm 40% sản lượng tuyên bố tiếp tục hạn chế xuất nguồn nguyên liệu đặc biệt này, làm cho giá đất tăng vọt có khả gây nên khủng hoảng đất công nghiệp giới. Do quốc gia công nghiệp phát triển đầu tư thúc đẩy nghiên cứu tìm kiếm vật liệu thay thế. Điển năm 2010, phủ Hoa Kỳ trao cho nhóm nghiên cứu đại học Delaware kết hợp với số đại học khác 4,6 triệu USD cho dự án nghiên cứu phát triển hệ nam châm thay nam châm đất giảm lệ thuộc vào kim loại đất [6]. Gần đây, phủ Nhật Bản tuyên bố dành 63 tỉ USD cho 49 dự án thử nghiệm giảm lượng kim loại đất dùng sản xuất công nghiệp [3]. Phần lớn vật liệu từ cứng có nồng độ đất cao, chúng có lượng từ tốt độ bền kém, phạm vi ứng dụng hẹp (nhiệt độ thấp) mà giá thành lại cao, vậy, xu hướng nghiên cứu giới thời gian tới tìm kiếm vật liệu mới, công nghệ để chế tạo nam châm vĩnh cửu thay nam châm đất hiếm. Một hệ hợp kim nghiên cứu Mn-Bi, thay hấp dẫn cho nam châm vĩnh cửu có chứa đất hiếm, đặc biệt cho ứng dụng nhiệt độ trung bình (423 – 473K). Mn-Bi có lực kháng từ cao dị hướng từ tinh thể lớn (1,6x106 J/m3) có tính chất đặc biệt: lực kháng từ tăng theo tăng nhiệt độ, đạt tối đa 2,6T 523K [5]. Mặt khác với chi phí vật liệu thấp, công nghệ chế tạo không phức tạp, vật liệu từ cứng Mn-Bi hứa hẹn mang lại hiệu kinh tế cao, lí trên, định chọn đề tài “Nghiên cứu chế tạo vật liệu từ cứng Mn-Bi”. 2. Mục đích nghiên cứu Chế tạo vật liệu từ cứng Mn-Bi có tính chất từ cứng tốt, ứng dụng thực tế. 3. Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu - Hệ hợp kim Mn-Bi - Khảo sát cấu trúc, tính chất từ vật liệu Mn-Bi. 4. Nhiệm vụ nghiên cứu - Nghiên cứu chế tạo mẫu Mn-Bi. - Nghiên cứu tính chất từ hợp kim. 5. Phƣơng pháp nghiên cứu. - Phương pháp thực nghiệm chế tạo mẫu. + Tạo mẫu khối lò nấu hồ quang + Tạo mẫu băng phương pháp phun băng nguội nhanh. - Các phương pháp khảo sát tính chất mẫu. + Sử dụng phép phân tích nhiễu xạ tia X để tìm hiểu cấu trúc mẫu. + Khảo sát tính chất từ mẫu hệ từ trường xung từ kế mẫu rung. 6. Cấu trúc luận văn Mở đầu Nội dung Chƣơng 1. Tổng quan vật liệu từ cứng hợp kim Mn-Bi Vật liệu từ cứng Hợp kim Mn-Bi Chƣơng 2. Thực nghiệm Các phương pháp chế tạo mẫu Các phương pháp khảo sát tính chất cấu trúc mẫu Chƣơng 3. Kết thảo luận Kết luận Tài liệu tham khảo CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU TỪ CỨNG VÀ HỢP KIM Mn-Bi 1.1. Vật liệu từ cứng 1.1.1. Lịch sử phát triển Vật liệu từ cứng hay nam châm vĩnh cửu phát sử dụng từ lâu, loại quặng ôxit sắt Fe3O4, có tự nhiên với tên gọi “lode stone”. Sau khoảng thời gian dài, qua nhiều kỉ, đến năm 1740, nam châm vĩnh cửu chế tạo với tích lượng cực đại thấp (BH)max = 1MGOe, đó, cần phải dùng lượng lớn vật liệu tạo nam châm có lực hút đủ mạnh. Do nhu cầu thiết yếu nam châm vĩnh cửu, đòi hỏi nhà khoa học tìm kiếm, nghiên cứu vật liệu từ cứng ưu việt hơn. Thế kỉ 20 đánh dấu phát triển vượt bậc lĩnh vực này, sau 20 năm, giá trị (BH)max nam châm vĩnh cửu tăng gấp lần [4]. Nanocomposite NdFeB Hình 1.1. Sự phát triển nam châm vĩnh cửu kỷ 20 [4]. 42 Ta biết hợp kim Mn-Bi chuyển pha chậm nên nhiệt độ thấp, thời gian ủ ngắn, ta = 0,5 h, đường từ độ bão hòa thấp không hoàn toàn tuân theo quy luật, nhiên, tăng thời gian ủ lên h h vị trí cực đại từ độ thể rõ. Khi nâng nhiệt độ ủ lên đến Ta = 250oC 300oC với khoảng thời gian ủ, từ độ bão hòa biến thiên tuân theo quy luật, đạt giá trị cực đại x = 46 sau giảm dần x tăng (hình 3.14 3.15). 70 60 M50 kOe (emu/g) 50 40 30 t = 0,5 h 20 a t =1h a 10 ta = h 42 46 50 54 x (%) 58 62 Hình 3.14. Sự biến thiên từ độ bão hòa theo nồng độ x Ta = 250oC 60 M50 kOe (emu/g) 55 50 45 40 t = 0,5 h 35 ta = h a ta = h 30 42 46 50 54 x (%) 58 62 Hình 3.15. Sự biến thiên từ độ bão hòa theo nồng độ x Ta = 300oC 43 Khi nhiệt độ ủ Ta = 350K (hình 3.16), giá trị lớn từ độ không vị trí x = 46 nữa, mà lúc Ms có xu đạt cực đại x = 50. 60 M50 kOe (emu/g) 55 50 45 40 ta = h 35 ta = h 30 42 46 50 x (%) 54 58 Hình 3.16. Sự biến thiên từ độ bão hòa theo nồng độ x Ta = 350oC Như vậy, từ độ bão hòa hợp kim Mn 100-xBix từ trường 50 kOe có xu hướng đạt giá trị cực đại khoảng giá trị x = 46 – 50 tất chế độ ủ nhiệt. Điều phù hợp với tỉ phần Mn:Bi = 50:50 pha từ cứng MnBi. Với chế độ ủ nhiệt thích hợp, từ độ bão hòa hợp kim từ trường H = 50 kOe đạt 50 emu/g. Khi nồng độ Bi (giá trị x) lệch khỏi khoảng 46 – 50 từ độ bão hòa hợp kim giảm cách nhanh chóng. Song song với việc khảo sát từ độ bão hòa hệ từ trường xung với từ trường H = 50 kOe, kết khảo sát cho thấy phụ thuộc lực kháng từ vào nồng độ Bi (giá trị x = 42, 46, 50, 54, 58, 62 66) tuân theo quy luật cách rõ ràng tất chế độ ủ. Sự biến thiên lực kháng từ theo nồng độ Bi nhiệt độ ủ 200oC, 250oC 300oC mô tả hình 13.17 – 13.19, ta thấy rằngvới thời gian ủ khác 44 ta= 0,5 h, h h lực kháng từ có xu hướng đạt cực tiểu giá trị x = 46, sau tăng lên x tăng. 10 t = 0,5 h a ta = h t =2h Hc (kOe) a 42 46 50 54 x (%) 58 62 66 Hình 3.17. Sự biến thiên lực kháng từ theo nồng độ x Ta = 200oC 10 ta = 0,5 h Hc (kOe) ta = h ta = h 42 46 50 54 x (%) 58 62 66 Hình 3.18. Sự biến thiên lực kháng từ theo nồng độ x Ta = 250oC 45 10 ta = 0.5 h ta = h t =2h c H (kOe) a 42 46 50 54 x (%) 58 62 Hình 3.19. Sự biến thiên lực kháng từ theo nồng độ x Ta = 300oC Khi tăng nhiệt độ ủ lên Ta = 350oC (hình 3.20) giá trị nhỏ lực kháng từ không nằm x = 46 mà Hc có xu hướng đạt cực tiểu x = 50. t =1h a ta = h Hc (kOe) 42 46 50 54 x (%) 58 62 Hình 3.20. Sự biến thiên lực kháng từ theo nồng độ x Ta = 350oC 46 Kết khảo sát cho ta thấy rõ quy luật biến thiên từ độ bão hòa lực kháng từ hợp kim Mn100-xBix theo nhiệt độ ủ Ta nồng độ x Bi (x = 42, 46, 50, 54, 58, 62 66) từ trường H = 50 kOe. Ở tất chế độ ủ, từ độ bão hòa hợp kim có xu đạt cực đại khoảng giá trị x = 46 – 50, giá trị x lệch khỏi vùng giá trị 46 – 50, từ độ bão hòa suy giảm nhanh. Đối với lực kháng từ, quy luật biến thiên theo nồng độ Bithmus lại ngược với quy luật từ độ bão hòa, lại có xu hướng đạt cực tiểu vùng x = 46 - 50 đáng ý lực kháng từ tăng mạnh vùng giá trị giá trị này. Chúng thu giá trị lớn lực kháng từ, H c ≈ 10 kOe mẫu hợp kim với x = 66. Quy luật biến thiên trái ngược của lực kháng từ từ độ bão hòa hệ hợp kim Mn100-xBix giải thích sau. Khi tỉ phần pha sắt từ Mn-Bi tăng, pha phi sắt từ (Mn, Bi) giảm, dẫn đến từ độ bão hòa tăng, điều có nghĩa mật độ hạt sắt từ Mn-Bi cao tương tác trao đổi hạt sắt từ mạnh hơn, dẫn tới suy giảm lực kháng từ. Khi tỉ phần pha sắt từ giảm đi, từ độ bão hòa hợp kim giảm theo. Mật độ hạt sắt từ giảm chúng bị cô lập với pha phi sắt từ, dẫn đến tăng lên lực kháng từ. 47 KẾT LUẬN 1. Đã chế tạo vật liệu từ cứng Mn-Bi phương pháp phun băng nguội nhanh xử lí nhiệt. Kết thu lực kháng từ tương đối cao (trên kOe) so với kết thu từ phương pháp khác có bước công nghệ phức tạp hơn. 2. Kết thực nghiệm cho thấy độ dày băng hay tốc độ làm nguội ảnh hưởng đến tính chất từ cứng hợp kim Mn-Bi. Tính chất từ cứng vật liệu giảm độ dày băng giảm (tốc độ trống tăng). 3. Đã khảo sát cấu trúc mẫu băng, hợp kim Mn100-xBix (x = 42, 46, 50, 54, 58, 62 66), mẫu có chứa pha MnBi, Mn Bi, có nghĩa là, với điều kiện công nghệ tại, mẫu băng Mn-Bi chưa đạt cấu trúc đơn pha. 4. Ảnh hưởng hợp phần chế độ ủ nhiệt lên cấu trúc tính chất từ băng hợp kim Mn100-xBix (x = 42, 46, 50, 54, 58, 62 66) khảo sát cách hệ thống. Từ độ bão hòa đạt giá trị cực đại vùng x = 46 – 50, lực kháng từ lại đạt giá trị cực tiểu vùng giá trị chế độ ủ. Các pha phi sắt từ ảnh hưởng mạnh đến lực kháng từ hợp kim. Kết thực nghiệm thu từ độ bão hòa 50 emu/g lực kháng từ Hc ≈ 10 kOe mẫu băng ủ nhiệt khả quan nâng cao nữa. 48 DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC 1. Mau Lam Nguyen, Thanh Hai Ha, Dinh Thang Duong, Thi Thanh Pham, Hai Yen Nguyen, Minh Thi Tran, Thanh Huyen Nguyen, Huy Dan Nguyen, Investigation of fabrication of Mn-Bi hard magnetic materials by melt-spinning method, Presented at The 7th International Workshop on Advanced Materials Science and Nanotechnology (IWAMSN2014) November 02-06, 2014 - Ha Long City, Vietnam. 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng việt 1. Lưu Tuấn Tài (2008), Giáo trình vật liệu từ, Nxb Đại Học Quốc Gia Hà Nội. 2. Nguyễn Hoàng Nghị (2012), Cơ sở từ học vật liệu từ tiên tiến, Nxb Khoa học kĩ thuật. 3. TTXVN/Vietnam+, “Nhật chi 63 tỷ USD nhằm giảm sử dụng đất hiếm”, www.vietnamplus.vn, 08/02/2012. Tiếng Anh 4. J. M. D. Coey (1996), “Rare-earth iron permanent magnets”, Clarendon Press Oxford. 5. J. Cui, J.P.Liu, N.V.Vuong et al (2014), “Thermal stability of MnBi magnetic materials”, Journal of appied physics: condensed Matter 26 064212. 6. J. Hsu, “Scientists Race to Engineer a New Magnet for Electronics”, www.LiveScience.com, 10 April 2010. 7. J.B.Yang, W.B.Yelon, W.J.James, Q.Cai, M.Kornecki, S.Roy, N.Ali, Phl’Heritier (2002), “Crystal structure, magnetic properties and electronic structure of the MnBi intermetallic compound”, J.Phys. Condens.Matter 14 6509–6519. 8. J.B.Yang, W.B.Yelon, W.J.James, Q.Cai, S.Roy (2002), “Structure and Magnetic Properties of the MnBi Low Temperature Phase”, Journal of Appied Physics, volume 91, number 10. 9. Y.B.Yang, X.G.Chen, S.Guo, A.R. Yan, Q.Z.Huang, M.M. Wu, D.F. Chen, Y.C. Yang, J.B. Yang, (2013), “Temperature dependences of structure and coercivity for melt-spun MnBi compound”, Journal of Magnetism and Magnetic Materials 330 106-110. 50 10. D.T. Zhang, W.T. Geng, M. Yue, W.Q.Liu, J.X.Zhang, J.A. Sundararajan, Y. Qiang, (2012) “Crystal structure and magnetic properties of MnxBi100-x (x = 48, 50, 55 and 60) compounds”, Journal of Magnetism and Magnetic Materials 324 1887-1890. 11. D. T. Zhang, S. Cao, M. Yue, W. Q. Liu, J. X. Zhang, and Y. Qiang (2011), “Structural and magnetic properties of bulk MnBi permanent magnets”, Journal of appied physics 109, 07A722. 51 PHỤ LỤC The 7th International Workshop on Advanced Materials Science and Nanotechnology (IWAMSN2014) - November 02-06, 2014  Ha Long City, Vietnam Investigation of fabrication of Mn-Bi hard magnetic materials by meltspinning method Mau Lam Nguyen1,2, Thanh Hai Ha1, Dinh Thang Duong1, Thi Thanh Pham3, Hai Yen Nguyen3, Minh Thi Tran 2, Thanh Huyen Nguyen4, Huy Dan Nguyen3 Ha noi Pedagogical University No.2, Xuan Hoa, Vinh Phuc, Vietnam Ha noi National University of Education, 136 Xuan Thuy, Ha Noi, Vietnam Institute of Materials Science, Vietnam Academy of Science and Technology, 18 Hoang Quoc Viet, Ha Noi, Vietnam Email: dannh@ims.vast.ac.vn; lamsp2@yahoo.com Quang Ninh University of Industry, Quang Ninh, Vietnam Abstract. Mn-Bi hard magnetic materials have been studied by many scienties because of their low cost, high coercivity. However, the formation of the low temperature MnBi single phase, which causes high coercivity for the material, is very difficult. In this report, we present the results of investigation of fabrication of Mn100-xBix (x = 42 - 66) hard magnetic materials by melt spinning method with cooper wheel velocities of 10 m/s. Subsequently, the obtained ribbons were annealed at temperatures of 200 - 350oC for time periods of 0.5 - h. The results show that coervicity and saturation magnetization strongly depend on Mn/Bi ratio and annealing process. Coervicity and saturation magtization can be changed from kOe to 10 kOe and from 10 emu/g to 60 emu/g, respectively, by varying composition and fabrication conditions. Influence of technology conditions on the formation of the MnBi phase and mechanism of high coercivity of the materrial were discussed. Keywords: hard magnetic material, high coercivity, rapidly quenched method. Classification numbers: 5.02. 1. Introduction Recently, the low temperature phase of MnBi with NiAs-type hexagonal crystalline structure has been investigated extensively [1-5]. Its coercivity increases with increasing temperature making application potential for high temperature and low cost permanent magnets. The high coercivity of these materials is attributed to large magnetocrystalline anisotropy of the MnBi phase (1.6 x 106 J/m3) [6]. However, it is difficult to obtain single phase of MnBi using conventional synthesis techniques, because of the reaction between Mn and Bi is peritectic. At the same time, Mn reacts readily with oxygen. The formation of MnO is reason leading to the decrease of magnetic parameters of the material. Thus, fabrication technology of MnBi magnet is still a challenge for both the basic science and application. There are several methods such as arc-melting, sintering, melt-spinning and high energy ball milling, which are used to fabricate Mn-Bi materials [7-9]. Some reports showed that the low temperature MnBi phase can be obtained with high volume fraction (> 80%) by annealing processes [10,11]. In this work, we investigated influence of fabrication conditions on structure and magnetic properties of Mn100-xBix (x = 42 - 66) hard magnetic materials prepared by melt-spinning and subsequently annealing. 2. Experiment The Mn100-xBix (x = 42, 46, 50, 54, 58, 62 and 66) ingots were prepared by arc-melting with high purity (99.9%) manganese and bismuth. Because Mn strongly evaporates during melting process, its mass is compensated by 15% before arc-melting. After arc-melting several times to ensure their homogeneity, the pre-alloys were used to fabricate ribbons on a melt-spinning system with the same tangential velocity, v = 10 m/s, of the copper roller. After that, the ribbons were annealed in different temperatures Ta = 200 - 350oC for various time periods ta = 1, 2, and h. All the arc melting, melt spinning and annealing processes were performed under Ar atmosphere to avoid oxygenation process. The structure of the samples was examined by using powder X-raydiffraction (XRD). The magnetic properties of the samples were investigated by magnetization measurements on pulsed field and vibrating sample magnetometers. 3. Results and discussion Figure 1a shows XRD patterns of the as-quenched Mn100-xBix (x = 42, 46, 50, 54, 58, 62 and 66) ribbons with thickness of about 110 µm. We can realize that the diffraction peaks appeared on the XRD patterns correspond to the crystalline phases of MnBi, Bi anh Mn. However, the intensity of the characteristic MnBi peaks is very weak, i.e. the volume fraction of the MnBi phase in the ribbons is very low. The results of XRD measurements showed that, the ribbons exist separated Mn and Bi crystals, which not combine to form MnBi crystals. In order to enhance the volume fraction of the MnBi crystal phase, the ribbons were annealed in various conditions. XRD patterns of the Mn100-xBix ribbons annealed at 300oC for h are presented in Figure 1b. It can be seen that the characteristic peaks of Bi significantly decrease after annealing and MnBi phase turns out to be the main phase. Thus, annealing process for MnBi ribbon is an effective method to gain the MnBi phase. (b) (a) Figure 1. XRD patterns of Mn100-xBix ribbons before (a) and after annealing at 300oC for h (b). 15 x = 42 x = 46 x = 50 x = 54 M (emu/g) 10 -5 x = 58 x = 62 x = 66 -10 -15 -12 -8 -4 H (kOe) 12 Figure 2. Hysteresis loops of the as-quenched Mn100-xBix ribbons. Figure presents hysteresis loops of the as-quenched ribbons. We can see that, the samples reveal hard magnetic behavior. Both the coercivity, Hc, and magnetization in the magnetic field H = 12 kOe, M12kOe, tend to increase when increasing the value of x. However, the highest coercivity is just about kOe and M12kOe is rather low, under 12 emu/g. After annealing, both the coercivity and the magnetization could be significantly increased (Figure 3). Hc increases above kOe and saturation magnetization exceeds 50 emu/g. It is agreed with the results from XRD patterns in Figure 1b. The fraction of the MnBi hard magnetic phase considerably increases after annealing process. 60 20 40 M (emu/g) M (emu/g) 40 60 x = 42 x = 46 x = 50 x = 54 x = 58 20 -20 -20 -40 -40 -60 -20 -15 -10 -5 10 15 x = 42 x = 46 x = 50 x = 54 x = 58 -60 -20 -15 -10 20 H (kOe) 20 x = 42 x = 46 x = 50 x = 54 x = 58 40 20 -20 -40 -40 -5 H (kOe) (c) 10 15 20 10 15 20 -5 H (kOe) 10 15 20 x = 42 x = 46 x = 50 x = 54 x = 58 -20 -60 -20 -15 -10 (b) 60 M (emu/g) M (emu/g) 40 H (kOe) (a) 60 -5 -60 -20 -15 -10 (d) Figure 3. Hysteresis loops of Mn100-xBix ribbons annealed at diferent temperatures T a = 200 (a), 250 (b), 300 (c) and 350oC (d) for time period ta = h. The dependence of the magnetization at applied magnetic field of H = 50 kOe, M50 kOe, and the coercivity at room temperature, Hc, of Mn100-xBix ribbons after annealing process is shown in Figure and 5. From figure we can realize that, the saturation magnetization of the alloy tend to have a maximum in the range of x = 46 - 50 for all of the annealing regimes. It is agreed with the ratio of Mn/Bi = 50/50 of MnBi hard magnetic phase. With the appropriate annealing regimes, M50 kOe could be obtained above 50 emu/g. When the concentration of Bi (the value of x) deviates from the range of 46 - 50at%, the saturation magnetization quickly decreases. For the coercivity, its variation tendency on x is contrary to that of the saturation magnetization. The coercivity has a minimum in the range of x = 70 60 60 50 50 (emu/g) 70 50 kOe 40 30 M M50 kOe (emu/g) 46 - 50. Notably, the coercivity increases strongly outside of the range of x = 46 - 50. The highest value of the coercivity, Hc > kOe, was obtained for the alloy with x = 66. The opposite variation tendencies of the coercivity and the saturation magnetization can be explained as the following. When the volume fraction of the MnBi ferromagnetic phase increases, the non-ferromagnetic phases (Mn, Bi) decrease leading to the increase of the saturation magnetization. It means that the density of the ferromagnetic MnBi particles is higher and and the exchange interaction between the ferromagnetic particles is stronger leading to the decrease of the coercivity. When the volume fraction of the MnBi ferromagnetic phase decreases, the saturation magnetization also decreases. On the other hand, the density of the ferromagnetic particles decreases and these particles are isolated by the non-ferromagnetic phases leading to the increase of the coercivity. 20 t = 0.5 h 40 30 t = 0.5 h 20 a a t =1h t =1h ta = h 46 ta= h 42 a 10 a 10 50 54 x (%) 58 42 62 46 50 60 55 55 50 50 M50 kOe (emu/g) M50 kOe (emu/g) 60 45 t = 0.5 h 35 ta = h a 42 46 50 62 45 40 ta = h 35 ta = h ta = h 30 58 (b) (a) 40 54 x (%) 54 x (%) (c) 58 62 30 42 46 50 x (%) 54 58 (d) Figure 4. Magnetization at H = 50 kOe, M50 kOe, of Mn100-xBix ribbons annealed at diferent temperatures Ta = 200 (a), 250 (b), 300 (c) and 350 oC (d) for various time ta = 0.5 - h. 10 10 t = 0.5 h t = 0.5 h a a t =1h ta = h a t =2h ta = h c H (kOe) Hc (kOe) a 42 46 50 54 x (%) 58 62 66 42 46 (a) 50 54 x (%) 58 62 66 (b) 10 ta = 0.5 h t =1h ta = h ta = h a t =2h Hc (kOe) c H (kOe) a 42 46 50 54 x (%) (c) 58 62 42 46 50 54 x (%) 58 62 (d) Figure 5. Coercivity at room temperature, Hc, of Mn100-xBix ribbons annealed at diferent temperatures Ta = 200 (a), 250 (b), 300 (c) and 350 oC (d) for various time ta = 0.5 - h. 4. Conclusions The influence of composition and annealing process on structure and magnetic properties of the Mn100-xBix (x = 42, 46, 50, 54, 58, 62 and 66) ribbons was investigated systematically. The maximum value of the saturation magnetization obtained in the range of x = 46 - 50, whereas the coercivity has minimum value in this range. For the annealed ribbons, highest value of the saturation magnetization and the coercivity exceeds 50 emu/g and kOe, respectively. The non-ferromagnetic phases strongly influence on the coercivity of the alloy. Acknowledgments. This work was supported by the National Foundation for Science and Technology Development (NAFOSTED) of Vietnam under grant number of 103.022013.49. A part of the work was done in the Key Laboratory for Electronic Materials and Devices and Laboratory of Magnetism and Superconductivity, Institute of Materials Science, VAST, Vietnam. References. [1] Lou C, Wang Q, Liu T, Wei N, Wang C and He J 2010 J. All. Comp. 505 96. [2] Yoshida H, Shima T, Takahashi T, Fujimori H, Abe S, Kaneko T, Kanomata T and Suzuki T 2001 J. All. Comp. 317-318 297. [3] Yang J B, Yang Y B, Chen X G, Ma X B, Han J Z, Yang Y C, Guo S, Yan A R, Huang Q Z, Wu M M and Chen D F 2011 Appl. Phys. Lett. 99 082505-1. [4] Kharel P and Sellmyer D J 2011 J. Phys.: Cond. Matt. 23 426001-1. [5] Kharel P, Skomski R, Lukashev P, Sabirianov R and Sellmyer D J 2011 Phys. Rev. B 84 014431-1. [6] Guo X, Chen X, Altounian Z and Stromolsen J O 1992 Phys. Rev. B 46 14578. [7] Yoshida H, Shima T, Takahashi T and Fujimori H 1999 Mater. Trans. JIM 40 455. [8] Guo X, Zaluska A, Altounian Z and Stromolsen J O 1990 J. Mater. Res. 2646. [9] Roberts B W 1956 Phys.Rev. 104 607. [10] Rao N V R, Gabay A M and Hadjipanayis G C 2013 J. Phys. D: Appl. Phys. 46 062001-1. [11] Rao N V R, Gabay A M, Li W F and Hadjipanayis G C 2013 J. Phys. D: Appl. Phys. 46 265001-1. [...]... tích) và pha từ cứng Nd2Fe14B (15% thể tích) Vật liệu từ cứng loại này được gọi là vật liệu nanocomposite, tuy (BH)max chưa cao nhưng vật liệu này chứa ít đất hiếm và công nghệ chế tạo đơn giản hơn, nên giá thành rẻ và tăng độ bền hóa học của vật liệu 1.1.2 Các thông số đặc trƣng của vật liệu từ cứng 1.1.2.1 Lực kháng từ Lực kháng từ (Hc) là thông số quan trọng của vật liệu từ cứng, là giá trị từ trường... cơ chế từ hóa, cơ chế từ hóa vật liệu được chia thành hai quá trình là dịch chuyển vách đômen và xoay vecto từ độ của các đômen Trong quá trình dịch vách đômen, năng lượng cần để dịch vách không lớn nên dẫn tới lực kháng từ nhỏ (ứng với vật liệu từ mềm) Với vật liệu từ cứng, vật liệu đơn đômen, thì quá trình từ hóa bắt đầu bởi cơ chế xoay vecto từ độ, quá trình này đòi hỏi nhiều năng lượng nên cần từ. .. quả, với từ trường ngoài 2,2 T, các đường từ trễ của Mn- Bi tại nhiệt độ phòng thể hiện trong hình 1.9, từ độ tăng từ 27,87 emu/g (của Mn6 0Bi4 0) lên 45,31 emu/g (của Mn4 8Bi5 2), ở nhiệt độ phòng, các nam châm Mn5 5Bi4 5 có lực kháng từ lên đến 12 kOe Hình 1.9 Đường từ trễ của nam châm Mn1 00-xBix (x=40, 45, 52) tại 287 K với từ trường ngoài tối đa 2,2T [11] Các đường cong khử từ của các nam châm Mn4 8Bi5 2 ở... nghiền bi trong 2,5 giờ, ép trong từ trường 10T là (BH)max = 11,95MGOe Đối với mẫu nam châm thiêu kết với số lượng lớn, tại 300K, (BH)max = 7,8 MGOe [5] 1.2.3 Một số kết quả nghiên cứu về vật liệu Mn- Bi Với tính chất từ hấp dẫn, Mn- Bi có tiềm năng như một loại vật liệu từ cứng thay thế tốt cho nam châm vĩnh cửu chứa đất hiếm, và nó đã thu hút được nhiều nhóm tác giả tập trung nghiên cứu chế tạo Adam... Vecto từ độ Ms chỉ có thể xoay được theo phương từ trường H khi vượt qua được các loại năng lượng dị hướng từ : dị hướng từ tinh thể, dị hướng từ đàn hồi, dị hướng từ hình dạng… [2], do đó trong cơ chế xoay vecto từ độ, thu được lực kháng từ lớn 1.1.2.2 Cảm ứng từ dƣ, đƣờng cong khử từ và tích năng lƣợng Cảm ứng từ dư là thông số đặc trưng của vật liệu từ cứng, là cảm ứng từ còn lại sau khi đã từ hóa vật. .. Adam và đồng nghiệp đã nghiên cứu hợp kim Mn- Bi từ rất sớm và nhóm của ông đã sản xuất được nam châm vĩnh cửu Mn- Bi có lực kháng từ 3,1 kOe và tích năng lượng cực đại (BH)max = 4,3 MGOe, nhỏ hơn rất nhiều so với tính toán lí thuyết Năm 2002, J.B Yang và các cộng sự tiến hành chế tạo vật liệu Mn- Bi theo ba phương pháp: - Phương pháp thiêu kết, Mn và Bi với độ tinh khiết cao (99,9%) tạo thành hỗn hợp theo... kháng từ: Hợp chất Mn- Bi là vật liệu sắt từ, nhiệt độ chuyển pha Tc = 630K, có trục c là trục dễ từ hóa, nguyên tử Mn có momen từ lớn 3.6µB và đồng thời sở hữu dị hướng từ tinh thể cao (K = 1,6x106 J/m3) ở 300K, nên Mn- Bi có lực kháng từ lớn, với kích thước đơn đomen, lực kháng từ Hc = 2K/Ms dự kiến là khoảng 50 kOe [5], [9] Đặc bi t, các thuộc tính cấu trúc và tính chất từ của Mn- Bi (LTP) trong khoảng... hướng từ hóa ban đầu của vật liệu để triệt tiêu vecto từ hóa, với nam châm vĩnh cửu, lực kháng từ có giá trị càng lớn càng tốt, lực kháng từ phụ thuộc vào dị hướng từ, dị hướng từ càng lớn thì lực kháng từ của vật liệu càng cao, trong trường hợp tổng quát, lực kháng từ được tính theo công thức: Trong đó: a, b, c là các hệ số phụ thuộc vào hình dạng và cấu trúc từ của vật liệu K1 là hằng số dị hướng từ. .. khảo sát bằng các phép đo từ độ trên hệ đo từ kế mẫu rung và hệ đo từ trường xung 22 CHƢƠNG 2 THỰC NGHIỆM 2.1 Phƣơng pháp chế tạo mẫu 2.1.1 Chế tạo mẫu khối Vật liệu dùng chế tạo mẫu là các nguyên tố Mn và Bi có độ tinh khiết cao (99,9%) được cân đúng theo hợp phần mẫu Mn1 00-xBix (x = 42, 46, 50, 54, 58, 62, 66) Khối lượng thành phần các nguyên tố trong hợp kim được tính toán để tạo ra được mỗi mẫu có... Tính chất từ Hợp kim Mn- Bi gồm nguyên tố Mn có cấu hình điện tử 3d54s2 và nguyên tố Bi có cấu hình 6s26p3, do đó nguồn gốc từ tính là tương tác trao đổi giữa các điện tử của lớp vỏ chưa lấp đầy Ở trạng thái kim loại, khoảng cách giữa các nguyên tử Mn nhỏ (2,754Å) nên tích phân trao đổi E < 0, Mn là chất phản sắt từ; khi Mn kết hợp với Bi thành Mn- Bi, các nguyên tử Bi nằm xen kẽ với các nguyên tử Mn (hình . Nghiên cứu chế tạo vật liệu từ cứng Mn- Bi . 2. Mục đích nghiên cứu Chế tạo được vật liệu từ cứng Mn- Bi có tính chất từ cứng tốt, có thể ứng dụng trong thực tế. 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên. phạm vi nghiên cứu - Hệ hợp kim Mn- Bi - Khảo sát cấu trúc, tính chất từ của vật liệu Mn- Bi. 4. Nhiệm vụ nghiên cứu - Nghiên cứu chế tạo mẫu Mn- Bi. - Nghiên cứu tính chất từ của hợp kim chất từ của mẫu bằng hệ từ trường xung và từ kế mẫu rung. 6.  Mở đầu Nội dung Chƣơng 1. Tổng quan về vật liệu từ cứng và hợp kim Mn- Bi Vật liệu từ cứng Hợp kim Mn- Bi Chƣơng