Khảo sát cấu trúc và tính chất từ của hợp kim từ cứng vô định hình nd fe al co

Khoá luận tốt nghiệp Trần Văn Hào Mở đầu Lý chọn đề tài Khoa học kỹ thuật ngày phát triển mạnh mẽ, xu hướng chung quốc gia nước ta, chương trình phát triển kinh tế vấn đề phát triển ngành kỹ thuật phát triển vật liệu then chốt Do đó, đào tạo Đại học kiến thức vật liệu phương pháp chế tạo, nghiên cứu trở thành yêu cầu quan trọng sinh viên nói chung sinh viên nghiên cứu vật lý nói riêng Chúng ta biết vật liệu từ tìm thấy từ lâu, trước công nguyên người ứng dụng làm kim la bàn để xác định phương hướng Cho đến nay, người chế tạo nhiều loại vật liệu từ ứng dụng chúng rộng rãi thực tế, từ thiết bị thiếu sống hàng ngày máy biến thế, động điện, máy phát điện thiết bị điện tử đại máy tính, máy ghi âm, ghi hình Tuy vậy, vật liệu từ không ngừng tìm kiếm để đáp ứng yêu cầu sống đại Trong việc chế tạo vật liệu từ, phương pháp nguội nhanh phương pháp sử dụng rộng rãi chiếm ưu công nghệ đơn giản, dễ dàng thay đổi thành phần hợp kim, thuận tiện cho việc nghiên cứu tìm kiếm hệ hợp kim từ Bằng phương pháp nguội nhanh chế tạo vật liệu từ cứng (có lực kháng từ lớn) vật liệu từ mềm (có lực kháng từ nhỏ) Điển hình vật liệu từ mềm chế tạo phương pháp nguội nhanh vật liệu từ Finemet Fe-Cu-Nd-Si-B, từ cứng vật liệu Nanocomposite Nd-Fe-B Tính chất từ vật liệu chế tạo phương pháp nguội nhanh thường bị ảnh hưởng nhiều tốc độ làm nguội Các vật liệu nguội nhanh thường gồm tổ hợp pha Cấu trúc pha từ, tức cách thay đổi điều kiện công nghệ mà tính chất vật liệu bị thay đổi hợp phần không thay đổi Như vậy, ta thấy phương pháp nguội Khoá luận tốt nghiệp Trần Văn Hào nhanh có ưu so với phương pháp khác việc chế tạo vật liệu với hợp phần tính chất từ đa dạng Vật liệu từ cứng vật liệu quan tâm nghiên cứu nhiều từ trước đến kể mặt ứng dụng chế Vật liệu từ cứng dạng tinh thể ứng dụng phổ biến Nd2Fe14B chế tạo phương pháp thiêu kết Gần hợp kim nguội nhanh Nd-Fe-Al quan tâm nghiên cứu loại vật liệu từ cứng Vì cho tính từ cứng lớn (~3,5 kOe) với cấu trúc vô định hình hoàn toàn Khả tạo pha từ cứng trạng thái vô định hình (VĐH) cho phép tạo dược hợp kim có hợp phần cấu trúc đa dạng kích thước nanômét Các nghiên cứu với hệ kim Nd-Fe-Al chế tạo phương pháp nguội nhanh cho thấy tuỳ theo tốc độ làm nguội nhanh tỷ phần pha khác mẫu hợp kim thể tính từ mềm nhiệt độ phòng Đặc biệt cách pha thêm vào hợp kim nguyên tố Co B với nồng độ thích hợp kết hợp với việc lựa chọn tốc độ làm nguội hợp kim phù hợp với thành phần kháng từ, từ độ bão hoà nhiệt độ Curie đồng thời tăng lên nhiều Tuy nhiên việc nghiên cứu ảnh hưởng Co lên cấu trúc tính chất hợp kim Nd-Fe-Al bước đầu nhiều vấn đề cần nghiên cứu Chính vậy, hệ hợp kim Nd-Co-Fe-Al chọn làm đối tượng nghiên cứu cho luận văn Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu ảnh hưởng tỉ phần Co/Nd lên cấu trúc tính chất từ hợp kim Nd45-xCo15+xFe30Al10 (x = 10) Nâng cao hiểu biết, hiểu sâu sắc vấn đề vật liệu học, vấn đề vật lý đại có nhiều ứng dụng kỹ thuật Tập đọc nghiên cứu vấn đề tổng quát hoá tài liệu kể tài liệu nước Đồng thời đợt tập dượt nghiên cứu khoa học Khoá luận tốt nghiệp Trần Văn Hào Nhiệm vụ nghiên cứu Để đạt mục đích nghiên cứu đề cần thực nhiệm vụ sau: + Tìm hiểu tổng quan vật liệu VĐH Nd-Fe-Al + Tiến hành làm thực nghiệm: Chế tạo hợp kim Nd-Co-Fe-Al phương pháp nguội nhanh + Đo đạc kết thu được, từ rút nhận xét, kết luận Đối tượng nghiên cứu Hợp kim từ cứng VĐH Nd-Co-Fe-Al Phạm vi nghiên cứu Cấu trúc, tính chất từ hợp kim Nd-Co-Fe-Al chế tạo phương pháp nguội nhanh ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài ý nghĩa khoa học luận văn góp phần tìm kiếm vật liệu từ mới, công nghệ chế tạo chế tạo nên tính từ cứng vật liệu từ có cấu trúc vô định hình nanô tinh thể Nội dung luận văn: Gồm chương Chương 1: Tổng quan Tìm hiểu tổng quan hợp kim nguội nhanh Nd-Al-Fe Chương 2: Thực nghiệm Thực nghiệm chế tạo, khảo sát cấu trúc tính chất từ mẫu hợp kim Nd-Co-Fe-Al Chương 3: Các kết nghiên cứu thảo luận Khoá luận tốt nghiệp Trần Văn Hào Trình bày kết nghiên cứu ảnh hưởng hợp phần tốc độ làm nguội lên cấu trúc tính chất từ hợp kim: Nd45 Co15 Fe30 Al10 Nd35 Co25 Fe30 Al10 Chương Tổng quan hệ hợp kim từ cứng Nd-Fe-Al 1.1 Hệ hợp kim từ cứng VĐH Nd-Fe-Al Hợp kim từ VĐH nhà khoa học phát vào khoảng năm sáu mươi kỷ XX Tuy vậy, hợp kim từ VĐH mang tính từ mềm với lực kháng từ Hc nhỏ Vì mà nghiên cứu sau chủ yếu nhằm mục đích tìm hiểu chế tạo nên tính từ mềm hợp kim VĐH đông thời nâng cao tính từ mềm hợp kim VĐH Tuy nhiên, điều đặc biệt xảy ra, vào năm 1996, nhóm nghiên cứu A Inoue (người Nhật Bản) đứng đầu công bố họ phát tính từ cứng tương đối tốt nhiệt độ phòng mẫu hợp kim VĐH khối (chế tạo phương pháp đúc) ba thành phần Nd-Fe-Al [7] hợp phần Nd60Fe30Al10 cho thông số từ cứng tốt với lực kháng từ Hc ~ 3,5 kOe, cảm ứng từ dư Br ~ 1,2 kG tích lượng cực đại (BH)max  2,5 MGOe nhiệt độ phòng Mặt khác hợp kim có tốc độ làm nguội tới hạn Rc (Rc tốc độ làm nguội tối thiểu để hợp kim từ trạng thái lỏng trở thành trạng thái rắn có cấu trúc VĐH ) nhỏ (cỡ 100 K/s), nên tạo mẫu VĐH khối với chiều dày mẫu lên tới 12 mm [8] Nhóm tác giả phát tính từ cứng tương đối tốt hệ hợp kim Nd-Fe-Al thay Nd Pr Tuy nhiên, hợp kim Pr-Fe-Al có từ độ bão hoà Ms khả tạo trạng thái VĐH thấp so với hệ hợp kim Nd-Fe-Al nên nghiên cứu Mặt khác, kết cho thấy, tính từ cứng tốt Nd60Fe30Al10 gắn liền với trạng thái VĐH khối Với mẫu băng có tốc độ làm Khoá luận tốt nghiệp Trần Văn Hào nguội lớn (R >> Rc) mẫu khối bị kết tinh tính từ cứng giảm mạnh hẳn Tiếp theo nghiên cứu A Inoue, nhóm J Ding [9, 10] tiến hành nghiên cứu hệ hợp kim Nd-Fe-Al thu số kết giống kết nhóm A Inoue nhóm không tạo mẫu khối VĐH có độ dày lớn A Inoue họ phát tính từ cứng hợp kim VĐH tốt mẫu bị kết tinh phần nhỏ Hệ hợp kim VĐH Nd-Fe-Al tiếp tục nghiên cứu nhóm [1-5, 11-17] Kết cho thấy, cấu trúc tính chất từ hợp kim có liên hệ với chặt chẽ Phần lớn tác giả cho tính từ cứng hệ hợp kim gắn liền với cấu trúc VĐH đám hợp kim Sau trình bày tổng quan tính chất hệ hợp kim VĐH Nd-Fe-Al đặc biệt hợp kim với hợp phần Nd60Fe30Al10 1.1.1 Khả tạo trạng thái VĐH hệ hợp kim Nd-Fe-Al Hình 1.1 Giản đồ pha ba nguyên Hình 1.2 Giản đồ phụ thuộc độ dày hợp kim Nd-Fe-Al [8] Trên hình: mẫu khối vào nồng độ Fe [8] Trên glassy - VĐH, crystaline – tinh thể hình: amorphous - VĐH, crystalinetinh thể Khoá luận tốt nghiệp Trần Văn Hào Khả tạo trạng thái VĐH (Glass Forming Ability - GFA) thể mức độ tạo trạng thái VĐH hợp kim Nó phụ thuộc vào chất nguyên tử, vào lực liên kết nguyên tử thành phần hoá học hợp kim Đại lượng đặc trưng cho GFA tốc độ làm nguội tới han Rc Hệ hợp kim Nd-Fe-Al có khả tạo mẫu VĐH dạng băng (nhờ phương pháp phun băng) dạng khối (nhờ phương pháp đúc hút) Hệ hợp kim có khả tao trạng thái VĐH khoảng thành phần lớn Với mẫu hợp kim chế tạo phương pháp phun băng từ đến 90 at% Fe, đến 93 at% Al 10 đến 90 at% Nd (hình 1.1) Các nghiên cứu rằng, việc hòa tan Al vào hệ hợp kim hai thành phần Nd-Fe làm tăng mạnh mẽ GFA hợp kim tạo mẫu khối dày mm với khoảng thành phần từ 10 đến 50 at% Fe từ 10 đến 30 at% Al Theo kết nghiên cứu nhóm A Inoue với nồng độ 10 at% Al, hợp kim Nd-Fe-Al có khả tạo trạng thái VĐH có tích lượng cực đại (BH)max lớn [8] Từ hình 1.2 ta thấy, độ dày mẫu lớn chế tạo phương pháp đúc tiêm hệ hợp kim Nd90-xFexAl10 (khi x thay đổi) khoảng mm với x = 20 Khi nồng độ at%Fe tăng độ dày mẫu khối VĐH giảm Hình 1.3 Phổ DSC mẫu Nd90-xFexAl10 (x = 10, 20, 30, 40, 50) với độ dày mm (a) mẫu Nd60Fe30Al10 với độ dày khác D = 1, mm (b) [8] Trên hình: Temperature - nhiệt độ, exothermic - nhiệt lượng toả Khoá luận tốt nghiệp Trần Văn Hào Để xác định rõ GFA, mẫu kiểm tra phép phân tích nhiệt dung quét (Differential Scanning Calorimetter - DSC) Hình 1.3 phổ DSC mẫu Nd90-xFexAl10 (x = 10, 20, 30, 40 50) với độ dày mẫu mm (a) mẫu Nd60Fe30Al10 với độ dày mẫu khác D = 1, mm (b) Ta thấy, tất mẫu hệ có đỉnh toả nhiệt kết tinh phản ứng thu nhiệt đáng kể chuyển pha thuỷ tinh vùng chất lỏng nguội trước kết tinh Điều khác biệt theo nghiên cứu trước đó, tất hợp kim VĐH có GFA lớn xuất chuyển pha thuỷ tinh riêng biệt vùng chất lỏng nguội trước kết tinh 1.1.2 Cấu trúc hệ hợp kim Nd-Fe-Al Hình 1.4 Phổ XRD mẫu hợp kim Nd70Fe20Al10 [26] Hình 1.4 phổ nhiễu xạ tia X cho mẫu khối Nd70Fe20Al10 với độ dày từ đến mm [9] Phổ nhiễu xạ mẫu cho thấy mẫu VĐH hoàn toàn Chỉ đỉnh nhiễu xạ rộng góc 2 ~ 320 Khoá luận tốt nghiệp Trần Văn Hào Giản đồ nhiễu xạ cho mẫu băng có thành phần Nd60Fe30Al10 với tốc độ làm nguội khác hình 1.5 Với mẫu băng m/s (tốc độ làm nguội nhỏ) xuất số đỉnh tinh thể tương ứng với pha tinh thể Nd [9] Tuy nhiên mẫu lại thể tính từ cứng giống với mẫu VĐH loại [26] khác với mẫu băng VĐH hoàn toàn với tính từ mềm Chứng tỏ tính từ cứng liên quan chặt chẽ với vi cấu trúc Theo Inoue tính từ cứng hệ hợp kim khối VĐH quy cho tồn đám VĐH giàu Fe đám VĐH giàu Nd Hình 1.5 Giản đồ nhiễu xạ tia X cho mẫu băng Nd60Fe30Al10 với tốc độ quay khác [9] Để thấy rõ kiểu liên kết cặp nguyên tử đám có trật tự gần, hàm phân bố xuyên tâm (RDF) xây dựng cho hệ mẫu khối băng Nd-Fe-Al hình 1.6 Khoá luận tốt nghiệp Trần Văn Hào Hình 1.6 Hàm phân bố xuyên tâm cho mẫu dạng khối mm băng 25 μm hệ Nd-Fe-Al [9] Theo hình vẽ 1.6 mẫu băng có đường phân bố mở rộng thấp hơn, mẫu khối có cường độ cao khoảng cách nguyên tử giới hạn tương ứng cặp nguyên tử Nd-Nd, Nd-Fe Theo phân tích nhóm Inoue, mẫu băng có cấu trúc hoàn toàn VĐH vắng mặt phát triển đám cặp nguyên tử, cấu trúc VĐH mẫu khối lại bao gồm đám cặp nguyên tử Nd-Nd, Nd-Fe Như vậy, số lượng nghiên cứu cấu trúc chưa nhiều công trình thống nhận định rằng, mẫu Nd-Fe-Al VĐH làm nguội mặt cấu trúc VĐH đồng mà tồn đám nguyên tử có trật tự gần 1.1.3 Các tính chất từ hệ hợp kim Nd-Fe-Al hợp kim với hợp phần Nd60Fe30Al10 Theo nghiên cứu công bố hệ hợp kim Nd-Fe-Al có thông số từ cứng trạng thái VĐH nhiệt độ phòng lớn nhiều so với thông số từ cứng hợp kim VĐH khác Với hợp kim Nd-Fe-Al hợp phần có ảnh hưởng nhiều đến tính chất Hình 1.7 rằng, cảm ứng từ dư Br, lực kháng từ Hc, tích lượng cực đại (BH)max từ độ từ trường 1432 kA/m phụ thuộc rõ vào nồng độ at%Fe mẫu hợp kim khối với hợp phần Khoá luận tốt nghiệp Trần Văn Hào Nd90-xFexAl10 (với độ dày mẫu mm) Từ hình vẽ ta thấy, với nồng độ 30 at%Fe, hợp kim cho thông số từ cứng tối ưu Chính vậy, nghiên cứu sau hệ hợp kim Nd-Fe-Al, người ta thường chọn hợp phần Nd60Fe30Al10 làm đối tượng xuất phát Tính từ cứng hợp kim không phụ thuộc vào hợp phần mà phụ thuộc nhiều vào tốc độ làm nguội hợp kim Theo kết công bố tính từ cứng hợp kim xuất hợp kim dạng khối dạng băng với tốc độ làm nguội nhỏ hợp kim chế tạo với tốc độ làm nguội lớn bị kết tinh thể tính từ mềm nhiệt độ phòng Theo kết nghiên cứu nhóm tác giả [2, 3] tính từ cứng tốt mà hợp kim đạt tốc độ làm nguội hợp kim nằm khoảng tốc độ làm nguội mẫu khối có chiều dày mm mẫu băng với tốc độ trống quay m/s (hình 1.8a) Mặt khác, nhiệt độ Curie TC phụ thuộc vào tốc độ Hình 1.7 Các đại lượng Br, iHc, (BH)max, J1432 phụ thuộc vào nồng độ Fe hợp kim khối Nd90-xFexAl10 có độ dày mm [8] Trên hình: remanence – cảm ứng từ dư, coercive force – lực kháng từ, maximum energy product – tích lượng cực đại, magnetization – từ độ, Fe content (at%) – nồng độ Fe (% nguyên tử) làm nguội, giá trị TC giảm tăng tốc độ làm nguội (hình 1.8b) Sự giảm từ độ bão hoà Ms, nhiệt độ Curie 10 Khoá luận tốt nghiệp Trần Văn Hào + Nạp khí trơ vào chuông (hơi dương so với bên để tránh thẩm thấu khí trở lại vào bên trong) để chuẩn bị nấu mẫu + Mở hệ nước làm lạnh nồi nấu, làm lạnh điện cực + Bật nguồn phát, nấu chảy viên Ti Việc nấu viên kim loại Ti có tác dụng thu khử chất khí gây trình ôxy hoá Viên Ti sau nấu mà sáng, tức môi trường nấu mẫu tốt, đủ điều kiện để tiến hành nấu mẫu Nếu viên Ti bị xám cần dừng việc nấu mẫu + Nấu mẫu: - Bật nguồn phát nấu chảy mẫu, ban đầu điều chỉnh dòng nhỏ kim loại dễ nóng chảy Al, Nd tan trước (việc làm có tác dụng tránh cho phối liệu có khối lượng nhỏ bị lửa hồ quang thổi bay ngoài) sau tăng dòng từ từ cho cuối tất kim loại kim bị nóng chảy hoàn toàn - Tắt nguồn phát, đợi mẫu nguội, dùng cần lật mẫu lật ngược mẫu lên Đợi vài phút cho chuông nguội bớt bật nguồn phát tiếp tục nấu mẫu (chú ý không nên nấu liên tục chuông nóng, điều làm hỏng găng cao su nắp chuông) - Mẫu lật nấu khoảng - lần (tuỳ thuộc vào khối lượng mẫu) cho có độ đồng hoàn toàn Các tiền hợp kim sau sử dụng để tạo mẫu nghiên cứu phương pháp nguội nhanh (phun băng, đúc hút) nghiền lượng cao 2.1.2 Phương pháp nguội nhanh(phương pháp phun băng) Phương pháp áp dụng nhiều để chế tạo hợp kim VĐH nói chung, đưa vào ứng dụng Ưu điểm phương pháp thiết bị không phức tạp, dễ điều khiển có khả chế tạo lượng lớn hợp kim Thực tế phần lớn hợp kim từ VĐH ứng dụng chế tạo phương pháp Những thiết bị công nghệ mô tả hình 2.2 Tiền hợp kim đựng ống thạch anh có 20 Khoá luận tốt nghiệp Trần Văn Hào vòi phun nấu chảy dòng cảm ứng cao tần Hợp kim lỏng nén cho chảy qua khe vòi phun lên mặt trống đồng quay áp suất khí Ar đẩy Giọt hợp kim lỏng giàn mỏng bám mặt trống đồng khoảng thời gian t, khoảng thời gian nhiệt độ hợp kim giảm từ nhiệt độ nóng chảy (~ 1500 K) xuống nhiệt độ phòng, tức T  103 K Tốc độ nguội v ước tính công thức: v T t Bơm chân không Khí Ar ống thạch anh Lò cao tần Buồng tạo mẫu Trống đồng Băng Hình 2.2 Sơ đồ khối hệ phun băng hợp kim Tốc độ làm nguội hợp kim thay đổi cách thay đổi tốc độ quay trống đồng Hợp kim lỏng bị đông cứng lại tiếp xúc với trống đồng, sau văng khỏi mặt trống đồng Nếu tốc độ làm nguội lớn, độ quay trống đồng đủ lớn, mẫu băng thu có cấu trúc VĐH hoàn toàn Nếu tốc độ quay trống đồng không đủ lớn mẫu băng bị kết tinh phần 21 Khoá luận tốt nghiệp Trần Văn Hào 2.2 Các phép đo nghiên cứu cấu trúc tính chất từ cho mẫu hợp kim Nd-Fe-Al-Co 2.2.1 Nhiễu xạ tia X Các giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu nghiên cứu thực máy nhiễu xạ tia X D-5000 hãng SIEMENS Phòng phân tích cấu trúc tia X, Viện Khoa học Vật liệu Phép đo cho phép kiểm tra trạng thái VĐH mẫu, phân tích thành phần pha tinh thể tính kích thước hạt Trong phạm vi luận văn khai thác phổ nhiễu xạ tia X cho hai mục đích đầu 2.2.2 Các phép đo từ độ + Phép đo từ trễ hệ từ trường xung: K1 22 K2 C dH/dt L dM/dt Hộp thu thập PC số liệu V Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý hoạt động hệ từ trường xung Để đo từ độ mẫu phụ thuộc vào từ trường ngoài, phép đo thực hệ từ trường xung đặt Phòng thí nghiệm Vật lý Vật liệu Từ Siêu dẫn Viện Khoa học Vật liệu Máy phát từ trường hệ thiết kế theo nguyên tắc nạp-phóng điện qua tụ điện cuộn dây hình vẽ 2.3 Qua công tắc K1, tụ điện C nạp từ nguồn chiều đến điện áp cực đại cỡ 2000 V tích lượng cỡ vài chục kJ Công tắc K2 đóng dòng xung mạnh hình sin tắt dần với thời gian tồn ngắn phóng qua dây nam châm L tạo lòng ống dây từ trường xung cao 22 Khoá luận tốt nghiệp Trần Văn Hào Mẫu đo đặt tâm cuộn nam châm với hệ cuộn dây cảm biến pick-up Tín hiệu lối tỷ lệ với vi phân từ độ vi phân từ trường thu thập, xử lý lưu trữ cho mục đích cụ thể Từ trường lòng ống dây sử dụng để nạp từ cho mẫu vật liệu dùng nửa chu kỳ sin dòng điện phóng Toàn hệ thống điều khiển đo đạc kỹ thuật điện tử ghép nối với máy tính Sơ đồ khối cho người sử dụng hình 2.3 Từ trường lớn hệ đạt tới 100 kOe + Phép đo từ nhiệt hệ đo từ kế mẫu rung (VSM): 23 Khoá luận tốt nghiệp Trần Văn Hào 21 20 18 19 17 16 14 15 13 22 12 11 10 23 Lối vào Ni tơ lỏng Cặp nhiệt Hình 2.4 Sơ đồ hệ đo VSM 1.Cuộn Hemholtz tạo từ trường 2.Buồng giữ mẫu 3.Cựcc từ 4.Cuộn pick-up 5.Đầu đo Hall 6.Cặp nhiệt 7.ống Cryostat ống Cryostat 9.Lối vào bếp 10.Van hút chân không ống Cryoststat 11.Cần gắn mẫu 12 Van hút chân không ống Cryoststat 13.Lối xả khí làm môi trường đo vào buồng mẫu 14.Ròng rọc xoay nâng nâng cần mẫu theo trục Z 15.Tấm trượt phận dịch chuyển cần mẫu theo trục X 16.Tấm trượt phận dịch chuyển cần mẫu theo trục Y 17.Tấm nâng cần mẫu theo trục Z 18.Màng rung 19.Vỏ buồng rung 20.Các nam châm vĩnh cửu 21.Các cuộn dây thu tín hiệu so sánh 22.Khung đỡ buồng rung Cryostat 23.Vô lăng điều khiển khoảng cách cực từ Để đo từ độ phụ thuộc vào nhiệt độ, sử dụng hệ đo từ kế mẫu rung với độ nhạy 10-4 emu đặt Phòng thí nghiệm Vật lý Vật liệu Từ Siêu dẫn Viện Khoa học Vật liệu Khoảng từ trường hệ đo từ –2T đến T Tốc độ quét từ trường thay đổi nhờ phận điều khiển từ trường Nhiệt độ mẫu thay đổi từ nhiệt độ Nitơ lỏng (77 K) đến khoảng 1100 K Quá trình ghi nhận số liệu đẫ tự động hoá qua việc ghép nối thiết bị đo 24 Khoá luận tốt nghiệp Trần Văn Hào với máy tính theo đường truyền liệu IEEE-488 (GPIB) Sai số hệ đo nhỏ 1% Các phận thiết kế khí hệ đo trình bày hình 2.4 Nguyên lý hệ đo dựa tượng cảm ứng điện từ: Mẫu đặt từ trường H có từ độ M Do mẫu rung màng rung điện động tạo nên từ thông ệ biến thiên qua cuộn dây thu (cuộn pickup) Theo định luật cảm ứng điện từ, xuất suất điện động cảm ứng cuộn dây thu Tín hiệu xoay chiều lấy từ cuộn dây khuếch đại lock-in nhạy pha Việc biến tín hiệu từ độ thành tín hiệu điện xoay chiều ưu điển thiết bị cho phép nâng cao độ nhạy thu nhận kết cách liên tục so với số phương pháp từ kế mẫu giật, phương pháp từ kế cuộn dây quay, di chuyển Các tín hiệu từ độ, từ trường, nhiệt độ thu nhận xử lý tự động việc ghép nối với máy tính Chương Kết bàn luận 3.1 Kết chế tạo khảo sát cấu trúc mẫu 25 Khoá luận tốt nghiệp Trần Văn Hào Chúng nghiên cứu ảnh hưởng tốc độ làm nguội lên cấu trúc hai hệ hợp kim với thành phần danh định Nd45Fe30Al10Co15 Nd35Fe30Al10Co25 Bảng 3.1 liệt kê mẫu chế tạo Việc thay đổi tốc độ làm nguội mẫu băng thông qua việc thay đổi tốc độ trống quay Với tốc độ trống quay v = m/s, 10 m/s 20 m/s, độ dày (d) mẫu băng thay đổi từ 45 m đến 290 m (tốc độ trống quay lớn, độ dày mẫu băng mỏng tốc độ nguội cao) Bảng 3.1 Các mẫu chế tạo khoá luận STT Hợp phần v (m/s) d (m) Kí hiệu Nd35Co25Fe30Al10 200 Nd355 Nd35Co25Fe30Al10 10 120 Nd3510 Nd35Co25Fe30Al10 20 40 Nd3520 Nd45Co15Fe30Al10 290 Nd455 Nd45Co15Fe30Al10 10 150 Nd4510 Nd45Co15Fe30Al10 20 45 Nd4520 Các mẫu sau chế tạo phân tích cấu trúc tia X Các mẫu nghiền nhỏ trước phân tích cấu trúc tia X, việc đánh giá độ kết tinh trung bình hoá toàn mẫu Các phổ nhiễu xạ tia X mẫu hợp kim với hợp phần tốc độ làm nguội khác thể hình 3.1 3.2 26 Khoá luận tốt nghiệp Trần Văn Hào Hình 3.1 Phổ nhiễu xạ tia X mẫu băng Nd45Co15Fe30Al10 với tốc độ trống quay m/s, 10 m/s 20 m/s theo thứ tự từ xuống Hình 3.2 Phổ nhiễu xạ tia X mẫu băng Nd35Co25Fe30Al10 với tốc độ trống quay 20 m/s Với hợp kim Nd45Fe30Al10Co15, tốc độ trống quay giảm (tốc độ làm nguội giảm) kết tinh hợp kim tăng lên Mẫu hợp kim với tốc độ trống quay v = 10 m/s 20m/s coi có cấu trúc vô định hình chưa 27 Khoá luận tốt nghiệp Trần Văn Hào thấy xuất đỉnh nhiễu xạ đặc trưng cho kết tinh Mẫu với tốc độ trống quay v = 5m/s xuất số đỉnh nhiễu xạ rõ nét, chứng tỏ mẫu có kết tinh Tuy nhiên đỉnh nhiễu xạ chưa xác định pha tinh thể tương ứng (do hạn chế phổ chuẩn thư viện phần mềm phân tích cấu trúc tia X) Như trình bày phần tổng quan, cấu trúc hợp kim ảnh hưởng rõ đến tính chất từ chúng (sẽ trình bày phần sau) Đối với hợp phần Nd35Fe30Al10Co25 trình kết tinh xảy tốc độ làm nguội lớn (v = 20m/s) Điều khả tạo trạng thái vô định hình hợp kim giảm nồng độ kim loại đất Nd giảm Pha tinh thể mẫu hợp kim xác định pha Fe2Nd (hình 3.2) 3.2 Kết đo từ độ Khảo sát ảnh hưởng tốc độ làm nguội lên tính chất từ hợp kim Nd45Fe30Al10Co15 Nd35Fe30Al10Co25 với tốc độ làm nguội trình bày chương Phép đo từ trễ thực hệ từ trường xung với từ trường lên tới 90 kOe Đường cong từ nhiệt mẫu thực hệ kế mẫu rung với nhiệt độ lên tới 700 K Hình 3.3 đường từ trễ mẫu hợp kim Nd45Fe30Al10Co15 với tốc độ trống quay khác Ta thấy lực kháng từ mẫu giảm tốc độ trống quay tăng lên Lực kháng từ Hc giảm từ 4,6 kOe xuống 2,7 kOe tăng tốc độ trống quay từ m/s lên 20 m/s Giá trị lớn Hc hợp kim cao nhiều so với hợp kim ba thành phần Nd-Fe-Al (cỡ 3,5 kOe) Lực kháng từ hợp kim thay đổi theo tốc độ làm nguội Đó cấu trúc hợp kim thay đổi Theo kết nghiên cứu, tính chất từ hợp kim từ cứng vô định hình thay đổi nhạy với trật tự gần, vô định hình đám hay trạng thái “gần” tinh thể Cơ chế gây lên tính từ cứng loại hợp kim chưa làm sáng tỏ Một số chế 28 Khoá luận tốt nghiệp Trần Văn Hào đưa để giải thích bao gồm: Dị hướng từ ngẫu nhiên cấu trúc bất trật tự trạng thái vô định hình, tâm ghim vách độ men mầm tinh thể phản sắt từ gây nên Trong lực kháng từ hợp kim thay đổi rõ theo tốc độ làm nguội từ độ bão hoà hợp kim lại không thay đổi (hình 3.3) 30 m/s 10 m/s 20 m/s M (emu/g) 20 10 -10 -20 -30 -20 -15 -10 -5 H (kOe) 10 15 20 Hình 3.3 Đường cong từ trễ mẫu băng Nd45Co15Fe30Al10 với tốc độ trống quay m/s, 10 m/s 20 m/s Điều từ độ bão hoà chủ yếu phụ thuộc vào nồng độ kim loại chuyển tiếp (Fe, Co) phụ thuộc vào cấu trúc vi cấu trúc hợp kim Hình 3.4 hình đường từ trễ hợp kim Nd35Co25Fe30Al10 Ta thấy xu biến đổi lực kháng từ ngược lại so với hợp kim trên, tức lực kháng từ tăng với tốc độ trống quay (tốc độ làm nguội hợp kim) Lực kháng từ lớn hợp kim đạt cỡ 1,8 kOe Tuy vậy, đại lượng đạt giá trị cao tốc độ làm nguội hay tốc độ trống quay cao Các kết nghiên cứu tác giả khác cho thấy với hợp kim tồn tốc độ làm nguội định để lực kháng từ hợp kim đạt giá trị lớn 29 Khoá luận tốt nghiệp Trần Văn Hào Thông thường, tốc độ làm nguội đủ làm cho nguyên tử hợp kim tụ đám (có cấu trúc vô định hình đám) mà chưa kết tinh thành mạng tinh thể có trật tự xa Trong hợp phần hợp kim nghiên cứu tỉ phần Co/Nd thay đổi Tỉ phần lớn tốc độ làm nguội tối ưu để hợp kim có lực kháng từ lớn cần phải lớn Nói cách khác độ dày tới hạn để hợp kim trạng thái vô định hình giảm Tuy nhiên, từ độ bão hoà lại nâng lên 60 v=5m/s v=10m/s v=20m/s M (emu/g) 40 20 -20 -40 -60 -20 -15 -10 -5 10 15 20 H (kOe) Hình 3.4 Đường cong từ trễ mẫu băng Nd35Co25Fe30Al10 với tốc độ trống quay m/s, 10 m/s 20 m/s So sánh từ độ bão hoà hợp phần ta thấy hợp kim có tỉ phần Co/Nd lớn có giá trị lớn (hình 3.3 3.4) 30 Khoá luận tốt nghiệp Trần Văn Hào 50 Nd35 Nd45 M (emu/g) 40 30 20 10 300 350 400 450 500 550 T (K) 600 650 700 Hình 3.5 Đường cong từ nhiệt mẫu băng Nd45Co15Fe30Al10 (Nd45) Nd35Co25Fe30Al10 (Nd35) với tốc độ trống quay m/s Hình 3.5 đường từ nhiệt từ trường H = 10 kOe mẫu hợp kim có hợp phần khác nhau, phun với tốc độ trống quay v = m/s Ta thấy nhiệt độ Curie Tc hai mẫu lớn 500 K Qua phép đo từ nhiệt ta đánh giá từ độ bão hoà mẫu có tỉ phần Co/Nd lớn, có từ độ bão hoà lớn 31 Khoá luận tốt nghiệp Trần Văn Hào Kết luận Đã chế tạo mẫu hợp kim Nd-Fe-Al-Co có hợp phần tốc độ làm nguội khác Độ dày tới hạn với cấu trúc vô định hình lực kháng từ lớn hợp kim Nd45Fe30Al10Co15 tương ứng vào cỡ d ~ 290 m Hc ~ 4,6 kOe đạt phương pháp băng nguội nhanh Hợp kim Nd35Fe30Al10Co25 đạt lực kháng từ Hc cao 1,8 kOe làm giảm độ dày tới hạn mẫu xuống 40 m 32 Khoá luận tốt nghiệp Trần Văn Hào Tài liệu tham khảo Tiếng Việt Nguyễn Châu, Nguyễn Hoàng Lương, Cao Xuân Hữu, Nguyễn Xuân Phúc Nguyễn Huy Dân, Về họ vật liệu từ cứng Nd-Fe-Al, Kỷ yếu Khoa học, Trường đại học Khoa học Tự nhiên, Hà nội (2000), tr 34-42 N H Dân, V H Kỳ, P V Phúc, V V Hồng, N M Hồng, L V Hồng N X Phúc, Sự bất đồng cấu trúc tính chất từ mẫu hợp kim Nd60Fe30Al10 chế tạo phương pháp đúc, Tuyển tập báo cáo Hội nghị Vật lý toàn Quốc lần thứ V, Hà nội, 1-3/3/2001, tr 774-882 Nguyễn Huy Dân, Nghiên cứu chế tạo, cấu trúc tính chất từ hệ hợp kim từ cứng vô định hình khối Nd-Fe-Al, Luận án Tiến sĩ Vật lí, Hà nội, 2002 V H Kỳ, N H Dân, N M Hồng, N X Phúc, L V Hồng, V V Hồng P V Phúc, ảnh hưởng Co lên khả tạo vô định hình tính chất từ hợp kim khối Nd-Fe-Al, Tuyển tập báo cáo Hội nghị Vật lý toàn Quốc lần thứ V, Hà nội, 1-3/3/2001, tr 696-701 Vũ Mạnh Quang, Nghiên cứu chế tạo hợp kim Nd-Fe-Al-Co-B có lực kháng từ cao phương pháp nguội nhanh, Luận án thạc sĩ, Hà Nội, 2003 Trần Quang Vinh, Hướng dẫn sử dụng hệ từ trường xung, Hà Nội 2000 Tiếng Anh Inoue A., Zhang T., Zhang W and Takeuchi A., Bulk Nd-Fe-Al Amorphous Alloy with Hard Magnetic Properties, Materials Transactions, JIM, 37(2), (1996), pp 99-108 Inoue A., Zhang T and Takeuchi A., Ferromagnetic Bulk Amorphous Alloys, Metallurgical and Materials Transactions A, 29A, (1998), pp 1779-1793 Ding J., Li Y and Wang X.Z, Magnetic properties of rapidly quenched RE-Fe-Al alloys, Materials Science Forum, 312-314, (1999), pp.539 10 L Wang, J Ding, Y Li, Y P Feng, N X Phuc and N H Dan, Model of Ferromagnetic Clusters in Amorphous Rare Earth and Transition Metal Alloys, Journal of Applied Physics, Vol.89, No.12 (2001) 8046-8053 11 Fan G.J., Lửser W., Roth S., EcKert J and Shultz K., Magnetic properties of cast Nd60-xFe20Al10Co10Cux alloys, Applied Physics Letters, 75(19), (1999), pp 2984-2986 33 Khoá luận tốt nghiệp Trần Văn Hào 12 N H Dan, N X Phuc, N M Hong, J Ding and D Givord, Multi-Magnetic Phase Behaviour of the Nd60Fe30Al10 Amorphous Hard Magnetic Alloy, Jour Magn Magn Mat., 226-230 (2001)1385-1387 13 N H Dan, N X Phuc, V H Ky, N M Hong, N Chau, N H Luong, C X Huu, R W McCallum, M J Kramer, A S O’Connor, K W Dennis, L H Lewis, L D.Tung, Magnetic and Microstructural Aspects of the Bulk Metallic Glassy Materials Nd60Fe30Al10, Mat Res Soc Symp Proc Vol 674 (2001) U2.6.12.6.6 14 N Chau, N H Luong, C X Huu, N X Phuc and N H Dan, Influence of B content substituting for Al on the magnetic properties of Nd60Fe30Al10-xBx, Jour Magn Magn Mat., 242-245 (2002) 1314-1316 15 N H Dan, N X Phuc, L V Hong, H Z Kong and J Ding, Magnetic properties of Nd55-xCoxFe30Al10B5 cast rods, Physica B, 327 (2003), 159-163 16 V H Ky, N H Dan, N C Kien, L T Minh, V M Quang, L V Hong and N X Phuc, Influence of quenching rate on magnetic properties of Nd25Fe30Co30Al10B5, Jour Magn Magn Mat., 272–276 (2004) 1404–1405 17 N H Dan, V H Ky, N C Kien, L T Minh, V M Quang, L V Hong and N X Phuc, High coercivity in Nd-Fe-Al based melt-spun ribbons, Jour Magn Magn Mat., 272–276 (2004) 1398–1400 34 [...]... Nd3 5Co2 5Fe3 0Al1 0 5 200 Nd3 55 2 Nd3 5Co2 5Fe3 0Al1 0 10 120 Nd3 510 3 Nd3 5Co2 5Fe3 0Al1 0 20 40 Nd3 520 4 Nd4 5Co1 5Fe3 0Al1 0 5 290 Nd4 55 5 Nd4 5Co1 5Fe3 0Al1 0 10 150 Nd4 510 6 Nd4 5Co1 5Fe3 0Al1 0 20 45 Nd4 520 Cỏc mu sau khi ch to c phõn tớch cu trỳc bng tia X Cỏc mu c nghin nh trc khi phõn tớch cu trỳc bng tia X, do ú vic ỏnh giỏ kt tinh l trung bỡnh hoỏ trong ton b mu Cỏc ph nhiu x tia X ca cỏc mu hp kim vi hp phn v tc... trng) khỏc nhau C th: + Hai hp kim: Nd4 5Fe3 0Al1 0Co1 5 Nd3 5Fe3 0Al1 0Co2 5 + Tc ca quay trng: v = 5, 10 v 20 m/s Chi tit thc nghim nghiờn cu c trỡnh by chng 2,cỏc kt qu v bn lun s trỡnh by chng 3 18 Khoỏ lun tt nghip Trn Vn Ho Chng 2 Thc nghim 2.1 Ch to mu 2.1.1 Ch to tin hp kim Vt liu ban u ch to cỏc mu hp kim Nd- Fe- Al- Co l nhng kim loi v ỏ kim sch: Nd - 99%; Fe; Al; Co - 99,99% Cỏc phi liu ban u c... (kOe) Hỡnh 3.4 ng cong t tr ca mu bng Nd3 5Co2 5Fe3 0Al1 0 vi tc trng quay l 5 m/s, 10 m/s v 20 m/s So sỏnh t bóo ho ca 2 hp phn ta thy hp kim cú t phn Co /Nd ln cú giỏ tr ln hn (hỡnh 3.3 v 3.4) 30 Khoỏ lun tt nghip Trn Vn Ho 50 Nd3 5 Nd4 5 M (emu/g) 40 30 20 10 0 300 350 400 450 500 550 T (K) 600 650 700 Hỡnh 3.5 ng cong t nhit ca cỏc mu bng Nd4 5Co1 5Fe3 0Al1 0 (Nd4 5) v Nd3 5Co2 5Fe3 0Al1 0 (Nd3 5) vi tc trng... hp kim ny nh hng rt rừ n tớnh cht t ca chỳng (s trỡnh by phn sau) i vi hp phn Nd3 5Fe3 0Al1 0Co2 5 quỏ trỡnh kt tinh xy ra ngay c khi tc lm ngui ln (v = 20m/s) iu ny l do kh nng to trng thỏi vụ nh hỡnh ca hp kim gim khi nng kim loi t him Nd gim Pha tinh th ca mu hp kim ny c xỏc nh l pha Fe 2Nd (hỡnh 3.2) 3.2 Kt qu o t Kho sỏt nh hng ca tc lm ngui lờn tớnh cht t ca hp kim Nd4 5Fe3 0Al1 0Co1 5 v Nd3 5Fe3 0Al1 0Co2 5... Vic thay th Co cho cỏc nguyờn t kim loi cú t tớnh nh Nd v Fe trong h hp kim Nd- Fe- Al ó c nhiu tỏc gi nghiờn cu v kt qu cho thy tớnh cht t cng nh kh nng to trng thỏi VH ca h hp kim khi ú c nõng cao ỏng k Trc tiờn ta xột quỏ trỡnh Co thay th cho Fe Hỡnh 1.9 biu din cỏc ng t tr v cỏc ng t nhit ca hp kim khi vi hp phn Nd6 0Fe3 0-xCoxAl10 (vi x = 0, 5, 10, 15 v 20) T hỡnh v ta thy, nh hng ca Co lờn tớnh cht... kim khi Co thay th cho Fe l khỏ rừ C th l, t ca cỏc hp kim ny gim khi tng nng Co trong khi nhit Curie gn nh khụng thay i Cng t hỡnh v ta thy, mu cú hp phn Nd6 0Fe2 0Co1 0Al1 0 (x = 10) cho cỏc thụng s t cng tt nht v cng chớnh mu ny cho kh nng to VH ln nht x=0 x=5 x = 10 x = 15 x = 20 Từ độ(emu/g) 10 4 Từ độ (đ.v.t.y) 20 0 x=0 x=5 x =10 3 2 x = 15 x = 20 -10 1 Nd6 0Fe3 0-xAl 10Cox D = 3 mm -20 -8 Nd6 0Fe3 0-xCoxAl... Trn Vn Ho Hỡnh 3.1 Ph nhiu x tia X ca mu bng Nd4 5Co1 5Fe3 0Al1 0 vi tc trng quay l 5 m/s, 10 m/s v 20 m/s theo th t t trờn xung di Hỡnh 3.2 Ph nhiu x tia X ca mu bng Nd3 5Co2 5Fe3 0Al1 0 vi tc trng quay l 20 m/s Vi hp kim Nd4 5Fe3 0Al1 0Co1 5, khi tc trng quay gim (tc lm ngui gim) thỡ s kt tinh trong hp kim tng lờn Mu hp kim vi tc trng quay v = 10 m/s v 20m/s cú th coi l cú cu trỳc vụ nh hỡnh vỡ cha 27 Khoỏ... -8 Nd6 0Fe3 0-xCoxAl 10 H = 100 Oe -6 -4 -2 0 2 4 Từ tr- ờng (kOe) 6 0 350 8 400 450 500 Nhiệt độ (K) 550 b) a) Hỡnh 1.9 nh hng ca s thay th Co cho Fe lờn tớnh cht t trong h hp kim khi Nd6 0Fe3 0-xCoxAl10: a) cỏc ng t tr, b) cỏc ng t nhit [3] Sau õy ta xột quỏ trỡnh Co thay th cho Nd S thay th ca Co cho Nd cng lm tng kh nng to VH cho hp kim nhng li lm gim mnh tớch nng lng cc i (BH)max ca hp kim (hỡnh 1.10a)... kim khi Nd- Fe- Al bng cỏch thờm vo ng thi hai nguyờn t Co v B theo hp phn Nd5 5-xCoxFe3 0Al1 0B5 vi chiu dy mu l 1 mm b) a) Hỡnh 1.13 Cỏc ng t tr (a) v t nhit (b) ca cỏc mu khi Nd5 5xCoxFe3 0Al1 0B5 (x = 0, 5, 10, 15 v 20) dy 1 mm Trờn hỡnh: Applied field t trng ngoi, moment t , temperature nhit [19] Hỡnh 1.13 biu din cỏc ng t tr (a) v t nhit (b) ca cỏc mu khi 16 Khoỏ lun tt nghip Trn Vn Ho Nd5 5-xCoxFe3 0Al1 0B5... hp kim Nd- Fe- Al- Co- B cú lc khỏng t cao bng phng phỏp ngui nhanh, Lun ỏn thc s, H Ni, 2003 6 Trn Quang Vinh, Hng dn s dng h t trng xung, H Ni 2000 Ting Anh 7 Inoue A., Zhang T., Zhang W and Takeuchi A., Bulk Nd- Fe- Al Amorphous Alloy with Hard Magnetic Properties, Materials Transactions, JIM, 37(2), (1996), pp 99-108 8 Inoue A., Zhang T and Takeuchi A., Ferromagnetic Bulk Amorphous Alloys, Metallurgical ... (m) Kớ hiu Nd3 5Co2 5Fe3 0Al1 0 200 Nd3 55 Nd3 5Co2 5Fe3 0Al1 0 10 120 Nd3 510 Nd3 5Co2 5Fe3 0Al1 0 20 40 Nd3 520 Nd4 5Co1 5Fe3 0Al1 0 290 Nd4 55 Nd4 5Co1 5Fe3 0Al1 0 10 150 Nd4 510 Nd4 5Co1 5Fe3 0Al1 0 20 45 Nd4 520 Cỏc... lờn cu trỳc v tớnh cht t ca cỏc hp kim: Nd4 5 Co1 5 Fe3 0 Al1 0 Nd3 5 Co2 5 Fe3 0 Al1 0 Chng Tng quan v h hp kim t cng nn Nd- Fe- Al 1.1 H hp kim t cng VH Nd- Fe- Al Hp kim t VH c cỏc nh khoa hc phỏt hin... liu VH nn Nd- Fe- Al + Tin hnh lm thc nghim: Ch to hp kim nn Nd- Co -Fe- Al bng phng phỏp ngui nhanh + o c kt qu thu c, t ú rỳt nhn xột, kt lun i tng nghiờn cu Hp kim t cng VH Nd- Co -Fe- Al Phm vi nghiờn