Cấu tạo vật liệu từ cứng mn ga al bằng phương pháp nguội nhanh

TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI KHOA VẬT LÝ NGUYỄN THỊ BÍCH HẰNG CHẾ TẠO VẬT LIỆU TỪ CỨNG Mn-Ga-Al BẰNG PHƢƠNG PHÁP NGUỘI NHANH KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HÀ NỘI, 2017 TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI KHOA VẬT LÝ NGUYỄN THỊ BÍCH HẰNG CHẾ TẠO VẬT LIỆU TỪ CỨNG Mn-Ga-Al BẰNG PHƢƠNG PHÁP NGUỘI NHANH Chuyên ngành: Vật lý chất rắn KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: ThS Nguyễn Mẫu Lâm HÀ NỘI, 2017 LỜI CẢM ƠN Trƣớc hết, xin đƣợc bày tỏ lòng biết ơn chân thành sâu sắc tới Ths Nguyễn Mẫu Lâm, thầy hƣớng dẫn khoa học, bảo tận tình, chu đáo suốt trình nghiên cứu thực khóa luận Tôi xin đƣợc chân thành cảm ơn PGS.TS Nguyễn Huy Dân toàn thể cán nghiên cứu Phòng thí nghiệm Trọng điểm Vật liệu Linh kiện Điện tử, Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam giúp đỡ hoàn toàn kinh phí thực nghiệm Để đạt đƣợc thành công học tập hoàn thành khóa luận tốt nghiệp, xin bày tỏ lòng biết ơn đến Thầy, Cô giáo Khoa Vật lý Trƣờng Đại học Sƣ phạm Hà Nội trang bị kiến thức khoa học tạo môi trƣờng học tập thuận lợi cho suốt thời gian qua Tôi xin đƣợc bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Bố, Mẹ, ngƣời thân gia đình bạn bè động viên, khích lệ, tạo điều kiện tốt để chuyên tâm việc học tập nghiên cứu khoa học Xin chân trọng cảm ơn! Hà Nội, tháng năm 2017 Sinh viên Nguyễn Thị Bích Hằng LỜI CAM ĐOAN Các kết số liệu nêu khóa luận nghiên cứu dƣới hƣớng dẫn Ths Nguyễn Mẫu Lâm Tôi xin cam đoan kết khóa luận trung thực không trùng với công trình nghiên cứu khác công bố Tôi xin cam đoan điều thật, sai xin hoàn toàn chịu trách nhiệm Hà Nội, tháng năm 2017 Sinh viên Nguyễn Thị Bích Hằng MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Mục đích nghiên cứu Giả thuyết khoa học Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu Nhiệm vụ nghiên cứu Phƣơng pháp nghiên cứu Cấu trúc khóa luận CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU TỪ CỨNG 1.1 Lịch sử phát triển vật liệu từ cứng 1.2 Một số hệ vật liệu từ cứng không chứa đất 1.3 Hệ vật liệu từ cứng Mn-Ga-Al 1.3.1 Cấu trúc tinh thể Mn-Ga-Al 1.3.2 Giản đồ pha 1.3.3 Tính chất từ cứng hệ Mn-Ga-Al 10 CHƢƠNG KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM 11 2.1 Các phƣơng pháp nguội nhanh 11 2.1.1 Phƣơng pháp nguội nhanh đơn trục 12 2.1.2 Phƣơng pháp nguội nhanh hai trục 12 2.1.3 Phƣơng pháp nguội nhanh ly tâm 13 2.1.4 Chế tạo băng hợp kim phƣơng pháp nguội nhanh 14 2.2 Phƣơng pháp xử lý nhiệt 17 2.3 Phƣơng pháp phân tích cấu trúc tinh thể 18 2.4 Các phƣơng pháp nghiên cứu tính chất từ 19 2.4.1 Hệ đo từ kế mẫu rung (VSM) 19 2.4.2 Hệ đo từ trƣờng xung (PFM) 21 CHƢƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 23 3.1 Cấu trúc băng hợp kim Mn65Ga20-xAl15+x 23 3.2 Tính chất từ băng hợp kim Mn65Ga20-xAl15+x 24 KẾT LUẬN 28 TÀI LIỆU THAM KHẢO 29 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Sự phát triển nam châm vĩnh cửu kỷ 20 Hình 1.2 Sự phụ thuộc lực kháng từ băng Mn100-xGax vào trình ủ nhiệt Hình 1.3 Biểu diễn phụ thuộc từ độ dƣ lực kháng từ vào hàm lƣợng nhôm Mn65Ga35-xAlx (x = 0-25) Hình 1.4 Các vòng trễ (a) mẫu Mn65Ga35 (b) mẫu Mn65Ga15Al20 Hình 1.5 Sự phụ thuộc lực kháng từ hợp kim Mn65Ga35xCux (x = 0-20) nhiệt độ khác Hình 1.6 Cấu trúc tinh thể Mn-Ga-Al Hình 1.7 Giản đồ pha hệ hợp kim Mn-Ga Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý hệ phun băng nguội nhanh đơn trục (a) Ảnh thực trống đồng cuộn dây cao tần (b) hình ảnh số mẫu băng thu đƣợc (c) 11 Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý thiết bị phun băng trống quay đôi 13 Hình 2.3 Phƣơng pháp nguội nhanh ly tâm 14 Hình 2.4 Sơ đồ khối hệ phun băng nguội nhanh đơn trục 14 Hình 2.5 a) Thiết bị phun băng nguội nhanh ZKG-1: Bơm hút chân không, Buồng nấu, Nguồn phát cao tần, b) Bên buồng tạo băng: Trống quay, Vòng cao tần, Ống thạch anh 15 Hình 2.6 Thiết bị ủ nhiệt Thermolyne 17 Hình 2.7 Mô hình hình học tƣợng nhiễu xạ tia X 18 Hình 2.8 Thiết bị khảo sát cấu trúc Siemen D-5000 19 Hình 2.9 Sơ đồ nguyên lý hệ từ kế mẫu rung (VSM) 20 Hình 2.10 Sơ đồ nguyên lý hệ đo từ trƣờng xung 21 Hình 2.11 Hệ đo từ trƣờng xung 22 Hình 3.1 Phổ nhiễu xạ tia X trƣớc ủ nhiệt (a) sau ủ nhiệt (b) băng Mn65Ga20-xAl15+x (x = 5) 23 Hình 3.2 Các đƣờng từ trễ băng Mn65Ga20-xAl15+x (x = 5) chƣa ủ nhiệt 24 Hình 3.3 Đƣờng cong từ trễ băng Mn65Ga20-xAl15+x (x = 0, 10) ủ nhiệt độ khác Ta = 550 (a), 600 (b), 650 (c), 700 (d) 750 oC (e) khoảng thời gian ta = 25 Hình 3.4 Sự phụ thuộc từ độ bão hòa Ms lực kháng từ Hc vào nhiệt độ ủ băng Mn65Ga20-xAl15+x (x = 0, 10) 26 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Vật liệu từ cứng (VLTC) với sản phẩm ứng dụng thƣờng đƣợc gọi nam châm vĩnh cửu (NCVC) đƣợc biết đến từ sớm ngƣời Trung Quốc Hy Lạp cổ đại Cho đến nay, VLTC đƣợc sử dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực từ thiết bị quen thuộc thiếu sống hàng ngày nhƣ: động điện, máy phát điện… thiết bị lĩnh vực kỹ thuật đại nhƣ công nghệ thông tin, quân sự, khoa học, y tế… có khả tích trữ lƣợng từ trƣờng tác dụng lên trở thành nguồn phát từ trƣờng Do có tiềm ứng dụng lớn nên thúc đẩy nghiên cứu, tìm kiếm vật liệu công nghệ chế tạo nhằm tạo VLTC có phẩm chất tốt để đáp ứng đƣợc nhu cầu sống ngày phát triển Việc nghiên cứu thành công NCVC chứa đất bƣớc đột phá lịch sử phát triển vật liệu từ cứng tích lƣợng từ cực đại cao Tuy nhiên, nguyên tố đất dùng để chế tạo NCVC (Nd, Sm, Dy…) ngày khan giá ngày tăng cao Mặt khác, hầu hết quặng đất chứa nguyên tố phóng xạ, đặc biệt Th U Trong trình tinh chế cần đến số axit độc hại Điều không quan ngại với nƣớc nhập mà với nƣớc xuất Đối với quốc gia nhập đất phải đối mặt với việc mua đất với giá cao phải phụ thuộc vào quốc gia xuất khẩu, quốc gia xuất đất lợi ích kinh tế từ việc bán đất bù đắp đƣợc tổn hại môi trƣờng sức khỏe ngƣời gây việc khai thác đất Chính thế, hầu hết nƣớc có nguồn nguyên liệu không muốn khai thác nó, Trung Quốc nƣớc chiếm tới 95% thị trƣờng đất giới; năm 2010 cắt giảm 40% sản lƣợng tuyên bố tiếp tục hạn chế xuất nguồn nguyên liệu này, làm cho giá đất tăng vọt dẫn đến nguy gây nên khủng hoảng đất công nghiệp giới Để khắc phục điều này, quốc gia công nghiệp phát triển đầu tƣ, thúc đẩy nghiên cứu tìm kiếm vật liệu thay đất Không nằm xu hƣớng đó, nhà khoa học nghiên cứu tìm kiếm phát triển hệ nam châm thay nam châm chứa đất giảm lệ thuộc vào kim loại đất Bên cạnh việc tìm kiếm công nghệ nghiên cứu chế tạo NCVC xu hƣớng nghiên cứu giới thời gian tới [1, 2, 4, 7, 8] Một loại VLTC không chứa đất thu hút đƣợc ý VLTC Mn-Ga, cấu trúc tính chất từ đƣợc nghiên cứu năm gần [6-9] Để cải thiện tính chất từ hệ hợp kim Mn-Ga, nhà khoa học thay phần pha thêm số nguyên tố vào hệ Mn-Ga Hệ VLTC Mn-Ga pha thêm số nguyên tố để tăng phẩm chất từ nhƣ Al, Cu Fe Một số kết pha thêm nguyên tố nhằm cải thiện tính chất từ đƣợc công bố [3, 7, 9] Từ lý trên, lựa chọn đề tài: “Chế tạo vật liệu từ cứng Mn-Ga-Al phƣơng pháp nguội nhanh” Mục đích nghiên cứu Chế tạo đƣợc vật liệu từ cứng không chứa đất Mn-Ga-Al có tính chất từ cứng tốt, ứng dụng thực tế Giả thuyết khoa học Vật liệu từ cứng Mn-Ga-Al có tính chất từ tốt đƣợc chế tạo phƣơng pháp nguội nhanh Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu - Đối tƣợng: Vật liệu từ cứng Mn-Ga-Al Hình 2.11 Hệ đo từ trường xung Để tránh đƣợc hiệu ứng trƣờng khử từ, mẫu đƣợc đặt cho từ trƣờng song song dọc theo chiều dài mẫu, mẫu khối đƣợc cắt theo dạng hình trụ Các mẫu đo đƣợc gắn chặt vào bình 22 CHƢƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Trong khóa luận khảo sát ảnh hƣởng Al chế độ ủ nhiệt lên cấu trúc tính chất từ băng hợp kim Mn65Ga20-xAl15+x (x = 0-10) Các mẫu hợp kim Mn65Ga20-xAl15+x (x = 0-10) đƣợc phun băng với vận tốc trống quay 20 m/s Các mẫu băng thu đƣợc, sau đƣợc ủ nhiệt độ 550 oC, 600 oC, 650 oC, 700 oC 750 oC với thời gian 60 phút môi trƣờng khí Ar Lực kháng từ (Hc), từ độ bão hòa (Ms) băng thu đƣợc phụ thuộc vào nồng độ Al điều kiện ủ Với Hc > kOe cho thấy tiềm ứng dụng hợp kim Mn-Ga-Al nhƣ loại vật liệu từ cứng đất định hƣớng ứng dụng nam châm tổ hợp 3.1 Cấu trúc băng hợp kim Mn65Ga20-xAl15+x Hình 3.1a cho thấy phổ nhiễu xạ băng Mn65Ga20-xAl15+x (x = 5) với v = 20 m/s (a) (b) Hình 3.1 Phổ nhiễu xạ tia X trước ủ nhiệt (a) sau ủ nhiệt (b) băng Mn65Ga20-xAl15+x (x = 5) Kết cho thấy rằng, đỉnh nhiễu xạ xuất bao gồm pha MnAl, D022-Mn3Ga D019-Mn3Ga Tuy nhiên, đỉnh nhiễu xạ MnAl lại chiếm ƣu Cƣờng độ đỉnh MnAl tăng lên nồng độ Al tăng lên 23 Phổ nhiễu xạ băng hợp kim Mn65Ga20-xAl15+x (x = 5) ủ nhiệt 650 oC đƣợc trình bày hình 3.1b Chúng ta thấy cƣờng độ đỉnh MnAl giảm, số lƣợng đỉnh nhiễu xạ đặc trƣng cho pha Mn3Ga loại D022 tăng đáng kể sau ủ Mặt khác, nồng độ Al tăng từ đến 5, cƣờng độ đỉnh Mn3Ga loại D022 tăng lên Các nghiên cứu trƣớc rằng, hình thành pha tăng cƣờng cho tính chất từ cứng vật liệu Do đó, trình ủ nhiệt mẫu băng Mn-Ga-Al phƣơng pháp có hiệu để đạt pha Mn3Ga loại D022 3.2 Tính chất từ băng hợp kim Mn65Ga20-xAl15+x 0.6 x=0 M (emu/g) 0.4 x=5 0.2 -0.2 -0.4 -0.6 -12 -8 -4 H (kOe) 12 Hình 3.2 Các đường từ trễ băng Mn65Ga20-xAl15+x (x = 5) chưa ủ nhiệt Hình 3.2 trình bày đƣờng từ trễ băng Mn65Ga20-xAl15+x (x = 5) chƣa ủ nhiệt Có thể thấy rằng, mẫu có tính chất từ mềm Ở từ trƣờng từ hóa mẫu H = 12 kOe, từ độ bão hòa M12kOe tăng tăng nồng độ x từ đến Tuy nhiên, lực kháng từ từ độ bão hòa nhỏ, dƣới kOe 0.6 emu/g Sau ủ, lực kháng từ từ độ bão hòa tăng đáng kể (hình 3.3) Hc tăng 10 kOe từ hóa bão hòa vƣợt 45 emu/g Phần khối lƣợng pha Mn3Ga loại D022 tăng lên đáng kể sau trình ủ Hơn nữa, từ độ bão hòa mẫu Mn65Ga20-xAl15+x (x = 0, 10) phụ thuộc vào trình ủ nhiệt 24 60 60 x=0 x=0 x=5 40 x=5 40 x =10 20 M (emu/g) M (emu/g) x =10 20 -20 -20 -40 -40 -60 -30 -20 -10 10 H (kOe) 20 -60 -30 30 -20 -10 10 H (kOe) (a) 30 x=0 x=5 20 x =10 10 M (emu/g) M (emu/g) 20 30 x=0 x =5 x =10 20 0 -20 -10 -40 -20 -60 -30 30 (b) 60 40 20 -20 -10 10 H (kOe) 20 -30 -30 30 -20 -10 10 H (kOe) (c) (d) 15 x=0 10 x=5 x =10 M (emu/g) -5 -10 -15 -30 -20 -10 10 H (kOe) 20 30 (e) Hình 3.3 Đường cong từ trễ băng Mn65Ga20-xAl15+x (x = 0, 10) ủ nhiệt độ khác Ta = 550 (a), 600 (b), 650 (c), 700 (d) 750 oC (e) khoảng thời gian ta = 25 Hình 3.3 cho thấy nhiệt độ ảnh hƣởng rõ rệt đến tính chất từ băng hợp kim Đƣờng cong từ trễ tất mẫu lớn sau ủ, tất nhiệt độ chọn Điều có nghĩa pha gây tính chất từ cho vật liệu, đƣợc hình thành trình ủ Kết làm tăng lực kháng từ từ độ bão hòa băng hợp kim 60 12 x=0 50 x=5 x=0 10 x=5 x = 10 Hc (kOe) 40 30 s M (emu/g) x = 10 20 10 550 600 650 o Ta ( C) 700 750 (a) 550 600 650 o Ta ( C) 700 750 (b) Hình 3.4 Sự phụ thuộc từ độ bão hòa Ms lực kháng từ Hc vào nhiệt độ ủ băng Mn65Ga20-xAl15+x (x = 0, 10) Hình 3.4a cho thấy từ độ bão hòa mẫu giảm với nồng độ Al tăng lên Đối với mẫu với x = x = 10, từ độ bão hòa tăng tăng nhiệt độ ủ từ 550oC đến 650oC Từ độ bão hòa cao thu đƣợc Ta = 650 oC (18.6 emu/g x = 6.2 emu/g x = 10) Nhiệt độ tăng lên đến 700 oC 750 oC từ độ bão hòa không tăng thêm mà giảm Tuy nhiên, xu hƣớng thay đổi từ độ bão hòa với x = không giống nhƣ hai nồng độ Từ độ bão hòa mẫu x = cao với Ta = 550oC (49 emu/g) sau giảm nhanh chóng nhiệt độ nung tăng thêm Từ hình 3.4b, thấy lực kháng từ băng đƣợc tăng lên đáng kể nồng độ Al tăng từ x = đến x = Đồng thời, hợp kim có nồng độ Al khác có nhiệt độ tối ƣu riêng Lực kháng từ cao cho mẫu có x = 10 đạt đƣợc nhiệt độ ủ tối 26 ƣu 650oC Các xu hƣớng biến thiên ngƣợc lại lực kháng từ từ độ bão hòa với x = x = đƣợc giải thích nhƣ sau Khi lƣợng pha sắt từ Mn3Ga loại D022 tăng lên, pha phản sắt từ giảm dẫn đến gia tăng bão hòa Điều có nghĩa mật độ hạt sắt từ D022 loại Mn3Ga cao tƣơng tác trao đổi hạt mạnh dẫn đến giảm lực kháng từ Khi lƣợng pha sắt từ Mn3Ga loại D022 giảm, từ hóa bão hòa giảm Mặt khác, mật độ hạt sắt giảm hạt bị cô lập dẫn đến gia tăng lực kháng từ 27 KẾT LUẬN  Đã chế tạo đƣợc vật liệu từ cứng Mn-Ga-Al phƣơng pháp nguội nhanh  Kết thực nghiệm cho thấy với nồng độ thích hợp Al nhiệt độ ủ ảnh hƣởng đến tính chất từ cứng hợp kim Mn-Ga-Al, độ từ hóa bão hòa tối ƣu thu đƣợc với mẫu x = 0, lực kháng từ có giá trị nhỏ  Ảnh hƣởng nồng độ Al trình ủ nhiệt cấu trúc tính chất từ băng Mn65Ga20-xAl15+x (x = 0, 10) đƣợc khảo sát Kết thu đƣợc độ từ hóa bão hòa lực kháng từ đạt đƣợc tƣơng ứng 45 emu/g 10 kOe 28 TÀI LIỆU THAM KHẢO J B Yang, W B Yelon, W J James, Q Cai, M Kornecki, S Roy, N Ali and PhI’Heritier (2002), "Crystal structure, magnetic properties and electronic structure of the MnBi intermetallic compound", J Phys Matter, 14, pp 6509–6519 J B Yang, W B Yelon, W J James, and Q Cai, S Roy and N Ali (2002), "Structure and magnetic properties of the MnBi low temperature phase", J Appl Phys, 91(10), pp 7866-7868 Akira Koeba, Toshiyuki Shima, and Doi, and Masaaki (2016), "Observation of hyperfine structure of D022-Mn3-xFexGa by Mössbauer effect ", Jpn J Appl Phys., 55, pp 07MC04 Mithun Palit, J Arout Chelvane, Himalay Basumatary, D Aravindha Babu, and Kamat, S.V (2015), "Microstructure and magnetic properties in as-cast and melt spun Co–Zr alloys", Journal of Alloys and Compounds, 644, pp Nanofoundry, LLC, Glen Allen, and VA "Production of MnxGa magnetic nanoparticles for permanent magnets" T J Nummy, S P Bennett, T Cardinal, and Heiman, and D (2011), "Large coercivity in nanostructured rare-earth-free MnxGa films", Appl Phys Lett., 99, pp 252506 Tetsuji Saito, and Daisuke Nishio-Hamane (2015), "New hard magnetic phase in Mn–Ga–Al system alloys", Journal of Alloys and Compounds, 632, pp 486–489 Tetsuji Saito, and Nishimura, and Ryuji (2012), "Hard magnetic properties of Mn-Ga melt-spun ribbons", J Appl Phys., 112, pp 083901 Tetsuji Saito, and Nishio-Hamane, and Daisuke (2016), "High coercivity in Mn-Ga-Cu alloys", AIP Advances, 6, pp 075004 29 The 8th International Workshop on Advanced Materials Science and Nanotechnology (IWAMSN2016), 8-12 November, 2016 - Ha Long City, Vietnam Hard magnetic property of Mn-Ga-Al melt-spun ribbons Mau Lam Nguyen1,2, Thi Bich Hang Nguyen1, Thi Thanh Pham3, Hai Yen Nguyen3, Dinh Thang Duong1, Minh Thi Tran2, Xuan Hau Kieu3 and Huy Dan Nguyen3 Hanoi Pedagogical University No.2, Xuan Hoa, Vinh Phuc, Vietnam Ha noi National University of Education, 136 Xuan Thuy, Ha Noi, Vietnam Email: lamsp2@yahoo.com Institute of Materials Science, Vietnam Academy of Science and Technology, 18 Hoang Quoc Viet, Cau Giay, Ha Noi, Vietnam Abstract Mn65Ga20-xAl15+x (x = - 10) alloy ribbons were prepared by using melt-spinning method with tangential velocity of the copper wheel of 20 m.s-1 The melt-spun ribbons were then annealed at 550oC, 600oC, 650oC, 700oC and 750oC for 60 minutes in Ar gas Coercivity (Hc), saturation magnetization (Ms) of the ribbons were found to be dependent on Al concentrations and annealing conditions The high coercivities, Hc > kOe, can be obtained for the alloy ribbons with appropriate compositions and annealing conditions The obtained results show an application potential of the Mn-Ga-Al alloys as a new kind of rare earth-free hard magnetic materials Keywords: Hard magnetic materials, Coercivity, Melt-spinning method Classification numbers: 5.02 Introduction Nowaday, the high cost and limited supply of rare earth elements have impulsed to the development of the rare earth-free permanent magnets [1, 2] Among them, Mn-based magnets have attracted a lot of scientific researches [3-8] Especially, due to good magnetic properties such as high magnetic anisotropy and Curie temperature above room temperature, the Mn-Ga magnet has important application for magnetoelectronic device [9-13] The Mn3Ga phase is formed in the magnets with various crystalline structures of D022-type tetragonal, D019-type hexagonal, L12-type cubic and L10-type tetragonal ones [14] The formation of these crystalline phases depends on elemental compositions and annealing conditions The hexagonal D019 and the tetragonal D022 are two phases which appear principally in the Mn-Ga magnets At room temperature, Mn3Ga phase in the hexagonal structure is a antiferromagnetic Meanwhile, the D022-type tetragonal crystalline Mn3Ga phase is ferromagnetic which plays an important role for the hard magnetic properties of the Mn-Ga magnets However, magnetic parameters of MnGa melt-spun ribbons, especially their coercivity have not yet been comparable to those of the rare earth-based permanents Thus, further enhancement of magnetic properties of this kind of magnets is still concerned to study Effective techniques for increasing coercivity are the addition or replacement of another element in the main phase Previous investigations have shown that the replacement of Ga with Al in the Mn-Ga magnets consisting of the D022-type Mn3Ga phase could improve their coercivity [15] In this work, we investigate influence of Al and fabrication conditions on structure and magnetic properties of Mn65Ga20-xAl15+x (x = - 10) alloy prepared by melt-spinning and subsequently annealing Experimental Alloy ingots with the composition of Mn65Ga20-xAl15+x (x = - 10) were prepared by arc-melting method Manganese (99.9%), gallium (99.9%) and aluminum (99.9%) metals were used as starting materials After arc-melting several times to ensure the homogeneity, the pre-alloys were used to fabricate ribbons on a melt-spinning system with the tangential velocity of 20 m.s-1 of the copper roller Some of the ribbons were annealed in different conditions All the arc-melting, melt-spinning and annealing processes were performed under Ar atmosphere to avoid oxygenation process Structure of the material was examined by X-ray diffraction (XRD) method The magnetic properties of the samples were investigated by magnetization measurements on a pulsed field magnetometer and vibrating sample magnetometer Results and discussion Figure 1a shows XRD patterns of the as-quenched Mn65Ga20-xAl15+x (x = and 5) ribbons with v = 20 m/s The results of the XRD measurements showed that, the diffraction peaks appeared on the XRD patterns consist of MnAl, D022-type Mn3Ga and D019-type Mn3Ga phases However, the diffraction peaks of MnAl are dominant Intensity of the MnAl peaks increases with increasing Al concentration It can be realized that, at an angle of 42o has the superposition of two diffraction peaks correspond to the crystalline phases of MnAl and D019-type Mn3Ga The intensity of the characteristic D022-type Mn3Ga peaks is very weak, i.e the volume fraction of the D022-type Mn3Ga phase in the as-quenched ribbons is very little In order to enhance the volume fraction of the D022-type tetragonal crystalline Mn3Ga phase, the ribbons were annealed in various conditions (a) (b) Figure XRD patterns of the as-quenched (a) and annealed (b) Mn65Ga20-xAl15+x (x = and 5) ribbons 0.6 x=0 M (emu/g) 0.4 x=5 0.2 -0.2 -0.4 -0.6 -12 -8 -4 H (kOe) 12 Figure Hysteresis loops of the as-quenched Mn65Ga20-xAl15+x (x = and 5) ribbons XRD patterns of the Mn65Ga20-xAl15+x (x = and 5) ribbons annealed at 650oC for h are presented in Figure 1b We can see that the intensity of the MnAl peaks decreases, meanwhile the number of diffraction peaks characterizing for the D022type Mn3Ga phase significantly increase after annealing On the other hand, when the concentration of Al is increased from to 5, the intensity of these D022-type Mn3Ga peaks is also increased Previous investigations have shown that, the formation of this phase can be benefited for the hard magnetic property of the material [10, 13] Thus, annealing process for MnGa ribbon is an effective method to obtain more D022-type Mn3Ga phase 60 60 x=0 x=0 x=5 40 x=5 40 x =10 20 M (emu/g) M (emu/g) x =10 20 -20 -20 -40 -40 -60 -30 -20 -10 10 H (kOe) 20 -60 -30 30 -20 -10 (a) 30 20 30 (b) x=0 x=0 x =5 x =10 40 x=5 20 x =10 10 20 M (emu/g) M (emu/g) 20 30 60 0 -20 -10 -40 -20 -60 -30 10 H (kOe) -20 -10 10 H (kOe) 20 -30 -30 30 -20 (c) -10 10 H (kOe) (d) 15 x=0 10 x=5 x =10 M (emu/g) -5 -10 -15 -30 -20 -10 10 H (kOe) 20 30 (e) Figure Hysteresis loops of Mn65Ga20-xAl15+x (x = 0, and 10) ribbons annealed at different temperatures Ta = 550 (a), 600 (b), 650 (c), 700 (d) and 750oC (e) for time period of ta = h Figure presents hysteresis loops of the as-quenched Mn65Ga20-xAl15+x (x = and 5) ribbons It can be seen that, the samples exhibit soft magnetic property Both the coercivity, Hc and magnetization in the magnetic field H = 12 kOe, M12kOe, increase when increasing the concentration of x from to However, the coercivity and saturation magnetization is rather small, bellow kOe and 0.6 emu/g, respectively for the as-quenched ribbons After annealing, both the coercivity and the magnetization might be significantly increased (Figure 3) Hc increases above 10 kOe and saturation magnetization exceeds 45 emu/g The ferromagnetic behavior developed in the annealed samples This is in good agreement with the results obtained from the XRD patterns in Figure 1b The volume fraction of the D022-type Mn3Ga phase considerably increases after annealing process Moreover, the saturation magnetization of the Mn65Ga20-xAl15+x (x = 0, and 10) samples is also depending on the annealing process Figure reveals that the annealing temperature clearly influences on the magnetic property of the alloys The hysteresis loop of all the samples greatly expands after annealing at all the selected temperatures That means the phase, which induces hard magnetic property for the material, was formed during annealing process resulting in the increase of coercivity of the ribbons The dependence of the saturation magnetization Ms and the coercivity at room temperature of Mn65Ga20-xAl15+x (x = 0, and 10) ribbons after annealing process are shown in Figure 12 60 x=0 50 x=5 20 10 0 550 600 650 o Ta ( C) (a) 700 750 x = 10 Hc (kOe) s M (emu/g) x = 10 40 30 x=5 x=0 10 550 600 650 o Ta ( C) 700 750 (b) Figure Dependence of saturation magnetization Ms and coercivity Hc on annealing temperature Ta of Mn65Ga20-xAl15+x (x = 0, and 10) ribbons Figure 4a shows the saturation magnetization of the samples decreases with increasing Al concentration For the sample with x = and x = 10, the saturation magnetization increases when increasing annealing temperature from 550oC to 650oC The highest saturation magnetization was obtained at Ta = 650oC (18.6 emu/g for x = and 6.2 emu/g for x = 10) Increasing annealing temperature to 700oC and 750oC, the saturation magnetization does not increase further but decreases Nevertheless, the trend of the changing of saturation magnetization with x = is unlike the above two concentrations The saturation magnetization of the x = sample is highest with Ta = 550oC (49 emu/g) and then decreases quickly as the annealing temperature increases further As for the coercivity, its variation on x is contrary to that of the saturation magnetization From Figure 4b, we can see that the coercivity of the ribbons is considerably enhanced when the concentration of Al increases from x = to x = At the same time, each of the alloys with different concentrations of Al has its own optimal annealing temperature, where the microstructure of the alloys is formed optimally leading to the best performance of the material For example, the alloys with x = and x = have the optimal annealing temperature of 650oC and their highest coercivity is kOe and 10.4 kOe, respectively While the highest coercivity for the sample with x = 10 was obtained at the optimal annealing temperature of 600oC The opposite variation trends of the coercivity and the saturation magnetization with x = and x = can be explained as the following When the volume fraction of D022-type Mn3Ga ferromagnetic phase increases, the antiferromagnetic phases decrease leading to an increase of the saturation magnetization That means the density of D022-type Mn3Ga ferromagnetic particles is higher and and the exchange interaction between the particles is stronger leading to a decrease of the coercivity When the volume fraction of the Mn3Ga ferromagnetic phase decreases, the saturation magnetization decreases On the other hand, the density of the ferromagnetic particles decreases and these particles are isolated leading to the increase of the coercivity Conclusion The influence of Al concentration and annealing process on structure and magnetic properties of the Mn65Ga20-xAl15+x (x = 0, and 10) ribbons was investigated The obtained results show that with appropriate concentration of Al and annealing temperature, the maximum saturation magnetization was obtained with x = 0, whereas the coercivity has minimum value with this x For annealed ribbons, the saturation magnetization and the coercivity were obtained above 45 emu/g and 10 kOe, respectively Acknowledgments This work was supported by the National Foundation for Science and Technology Development (NAFOSTED) of Vietnam under grant number of 103.02-2013.49 A part of the work was done in the Key Laboratory for Electronic Materials and Devices, Institute of Materials Science, VAST, Vietnam References [1] Kramer M J, McCallum R W, Anderson I A and Constantinides S 2012 JOM 64 752 [2] Kono H 1958 J Phys Soc Jpn 13 1444 [3] Saito T and Nishimura R 2012 J Appl Phys 112 083901-1 [4] Feng J N, Zhao X G, Ning X K, Shih C W, Chang W C, Ma S, Liu Q anh Zhang Z D 2014 J Appl Phys 115 17A750-1 [5] Lou C, Wang Q, Liu T, Wei N, Wang C and He J 2010 J All Comp 505 96 [6] Rao N V R, Gabay A M and Hadjipanayis G C 2013 J Phys D: Appl Phys 46 062001-1 [7] Singh N, Shyam R, Upadhyay N K and Dhar A 2012 IOP Conf Ser.: Mater Sci and Eng 73 012042-1 [8] Saito T 2003 J Appl Phys 93 8686 [9] Lou C, Wang Q, Liu T, Wei N, Wang C and He J 2010 J Alloy Compd 505 96 [10] Saito T, Nishimura R and Hamane D N 2014 J Magn Magn Mater 394 [11] Kurt H, Rode K, Tokuc H, Stamenov P, Venkatesan M and Coey J M D 2012 Appl Phys Lett 101 232402-1 [12] Huh Y, Khare P, Shah V R, Li X Z, Skomski R and Sellmyer D J 2013 J Appl Phys 114, 013906-1 [13] Brown D R, Han K and Siegrist T 2014 J Appl Phys 115 17A723-1 [14] Huh Y, Kharel P, Shah V R, Krage E, Skomski R, Shield J E and Sellmyer D J 2013 IEEE Trans Magn 49 3277 [15] Herbst J F 1991 Rev Mod Phys 63 819 ... chất từ đƣợc công bố [3, 7, 9] Từ lý trên, lựa chọn đề tài: “Chế tạo vật liệu từ cứng Mn- Ga- Al phƣơng pháp nguội nhanh Mục đích nghiên cứu Chế tạo đƣợc vật liệu từ cứng không chứa đất Mn- Ga- Al. .. Vật liệu từ cứng Mn- Ga- Al - Phạm vi nghiên cứu: Công nghệ chế tạo vật liệu từ cứng Mn- Ga- Al phƣơng pháp nguội nhanh Nhiệm vụ nghiên cứu - Lý thuyết cấu trúc tính chất từ hệ Mn- Ga- Al - Nghiên cứu... nghiệm Cấu trúc khóa luận Mở đầu Nội dung Chƣơng Tổng quan vật liệu từ cứng 1.1 Lịch sử phát triển vật liệu từ cứng 1.2 Một số hệ vật liệu từ cứng không chứa đất 1.3 Vật liệu từ Mn- Ga- Al Chƣơng