Luận văn Thạc sĩ Vật lý chất rắn: Nghiên cứu chế tạo vật liệu từ cứng nanocomposite nền NdFe-B bằng phương pháp thiêu kết xung điện plasma

Đề tài đã nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ như nhiệt độ, áp suất thiêu lên cấu trúc và tính chất từ của hệ hợp kim. Tìm ra các điều kiện công nghệ tối ưu để cải thiện cấu trúc và tính chất từ của các hệ hợp kim này.

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan số liệu kết nghiên cứu luận văn trung thực không trùng lặp với đề tài khác Mọi giúp đỡ cho việc thực luận văn cảm ơn thơng tin trích dẫn luận văn rõ nguồn gốc Hà Nội, tháng 11 năm 2019 Hồ Cơng Tình LỜI CẢM ƠN Luận văn thực phòng 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 hướng dẫn GS.TS Nguyễn Huy Dân Tôi xin cảm ơn hỗ trợ kinh phí đề tài cấp Bộ Giáo dục Đào tạo, mã số B.2018-SP2-11 thiết bị Trường ĐHSP Hà Nội 2, để thực luận văn Tôi xin cảm ơn tồn thể thầy giáo, giáo Học viện Khoa học Công nghệ, người dạy dỗ trang bị cho tri thức khoa học suốt hai năm học cao học Tôi xin cảm ơn TS Dương Đình Thắng, TS Phạm Thị Thanh, TS Nguyễn Hải Yến toàn thể cán nghiên cứu Phịng 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 giúp đỡ tơi q trình làm luận văn Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc đến bố mẹ, anh chị em, bạn bè động viên, chia sẻ giúp đỡ khắc phục khó khăn suốt q trình học tập, nghiên cứu hoàn thành luận văn Hà Nội, tháng năm 2019 Hồ Cơng Tình MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU 10 Chương TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU TỪ NANOCOMPOSITE NỀN Nd-Fe-B………………………………………………… 13 1.1 Sơ lược lịch sử phát triển vật liệu từ cứng 13 1.2 Vật liệu từ cứng Nd-Fe-B……………………………………… 15 1.2.1 Phân loại vật liệu từ cứng 15 1.2.2 Cấu trúc tính chất vật liệu nanocomsite Nd-Fe-B … 16 1.3 Cơ chế đảo từ lực kháng từ nam châm Nd-Fe-B ………… 19 1.3.1 Cơ chế đảo từ 19 1.3.2 Lực kháng từ nam châm Nd-Fe-B …………………… 23 1.3.3 Sự phụ thuộc nhiệt độ lực kháng từ …………………… 26 1.4 Mơ hình Kneller – Hawig 1.5 Chế tạo vật liệu từ nanocomposite Nd-Fe-B phương pháp 27 nguội nhanh 33 1.5.1 Phương pháp phun băng nguội nhanh 33 1.5.2 Ảnh hưởng tốc độ nguội hợp kim lỏng lên trình tạo pha 35 1.5.3 Chế tạo vật liệu nanocomposite cách tinh thể hóa pha vơ định hình 37 1.5.4 Chế tạo trực tiếp vật liệu nanocomposite từ hợp kim nóng chảy 39 1.6 Chế tạo vật liệu từ cứng nanocomposite Nd-Fe-B phương pháp thiêu kết xung điện plasma 41 Chương NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 46 2.1 Chế tạo vật liệu nanocomposite Nd-Fe-B 46 2.1.1 Chế tạo hợp kim ban đầu phương pháp hồ quang 46 2.1.2 Chế tạo băng nguội nhanh phương pháp phun băng 48 2.1.3 Chế tạo bột hợp kim phương pháp nghiền lượng cao 52 2.1.4 Chế tạo mẫu khối phương pháp thiêu kết xung điện 2.2 plasma 53 2.1.5 Xử lý nhiệt mẫu băng 54 Các phép đo khảo sát mẫu 55 2.2.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X 55 2.2.2 Phép đo từ trễ 57 Chương KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 60 3.1 Nghiên cứu chế tạo vật liệu từ cứng nanocomposite Nd3Tb1Fe71Co5Cu0,5Nb1B18,5 phương pháp thiêu kết xung điện plasma 60 3.2 Nghiên cứu chế tạo vật liệu từ cứng nanocomposite Nd10,5Fe80,5Nb3B6 phương pháp thiêu kết xung điện plasma 65 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO 79 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT I DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Ah : Hằng số trao đổi lớp từ cứng Am, Ak : Hằng số trao đổi pha từ mềm pha từ cứng (BH)max : Tích lượng cực đại bm, bk : Độ dày vùng pha từ mềm, Độ dày vùng pha từ cứng Br : Cảm ứng từ dư D : Kích thước hạt trung bình Dsd : Kích thước tới hạn đơn đômen HA : Trường dị hướng Hc : Lực kháng từ HN : Trường tạo mầm HP : Trường lan truyền vách đômen hp : Trường lan truyền rút gọn k : Hằng số Bolzman Mh : Từ độ Ms, Mr : Từ độ bão hòa, từ độ dư Msk, Msm : Từ độ bão hoà pha cứng pha mềm Mm, Mv : Từ độ theo khối lượng, thể tích N : Hệ số trường từ khử T : Nhiệt độ K TC : Nhiệt độ Curie Tm : Nhiệt độ nóng chảy Tg : Nhiệt độ thủy tinh hóa Tsps : Nhiệt độ thiêu kết tsps : Thời gian thiêu kết ϕ : Góc nhị diện 1 : Hệ số trường phân tử  : Năng lượng đơn vị diện tích vách đơmen  : Khối lượng riêng  : Góc nhiễu xạ Bragg  : Độ bán rộng đỉnh nhiễu xạ 0 : Độ từ thẩm chân không m : Độ dày vách pha từ mềm w(x) : Năng lượng vách đơmen phụ thuộc vị trí II DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT C-C-T : Giản đồ nhiệt chuyển pha liên tục DSC : Giản đồ nhiệt dung quét vi sai NCNC : Nam châm nanocomposite NCVC : Nam châm vĩnh cửu SPS : Kỹ thuật thiêu kết xung điện plasma T-T-T : Giản đồ nhiệt độ - thời gian - chuyển pha VĐH : Vơ định hình VLTC : Vật liệu từ cứng XRD : Nhiễu xạ tia X DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1.1 Các pha vi tinh thể hình thành Nd4,5Fe77B18,5 ủ đẳng nhiệt [37] Bảng 2.1 Các mẫu khối chế tạo luận văn phương pháp thiêu kết xung điện plasma Bảng 3.1 Giá trị thông số từ cứng mẫu khối Nd3Tb1Fe71Co5Cu0,5Nb1B18,5 thiêu kết nhiệt độ Tsps khác ………………………………………………………… Bảng 3.2 Thông số từ cứng mẫu khối Nd10,5Fe80,5Nb3B6 chế tạo phương pháp SPS nhiệt độ 700oC, thời gian giữ nhiệt 0,5 10 phút …………………………………………………… Bảng 3.3 Thông số từ cứng mẫu khối Nd10,5Fe80,5Nb3B6 chế tạo phương pháp SPS nhiệt độ (600 ÷ 750oC), thời gian giữ nhiệt 10 phút………………………………………………… Bảng 3.4 Thông số từ cứng mẫu khối Nd10,5Fe80,5Nb3B6 chế tạo phương pháp SPS nhiệt độ khác (600 ÷ 650oC) sau ủ nhiệt nhiệt độ 675oC 10 phút …… Bảng 3.5 Thông số từ cứng mẫu khối Nd10,5Fe80,5Nb3B6 chế tạo phương pháp SPS nhiệt độ khác (600  650oC) ủ nhiệt nhiệt độ 700oC 10 phút ……………… 39 51 64 70 72 73 73 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Trang Hình 1.1 Sự phát triển nam châm vĩnh cửu kỷ 20 [8] …… 13 Hình 1.2 Sơ đồ mô cấu trúc vật liệu nanocomposite Nd-Fe-B [3] 17 Hình 1.3 Sơ đồ mơ kết hợp pha từ cứng từ mềm vật liệu nanocomposite [3] ………………………………………………… Hình 1.4 Cấu trúc từ trình khử từ vật liệu nanocomposite hai pha cứng-mềm [4] ………………………………………………… Hình 1.5 Minh họa q trình từ hóa, khử từ vị trí trường tạo mầm HN [18] …………………………………………………………………… Hình 1.6 Đường từ hoá ban đầu đường từ trễ nam châm loại mầm đảo từ nam châm loại ghim vách đômen [9] …………………… Hình 1.7 Vi cấu trúc mầm đảo từ ghim vách đơmen Các mầm đảo từ hạt (A) hoặc biên hạt (B) tâm hãm vách vị trí C [9] ………………………………………………… Hình 1.8 Các đường cong mơ tả q trình đảo từ vật liệu có cấu trúc khác [5] ………………………………………………… Hình 1.9 Minh hoạ đường từ trễ cho loại nam châm khác nhau: tạo mầm đảo từ vách (a), mầm đảo từ không đồng ghim vách đômen biên hạt (b), mầm đảo từ không đồng phân bố hạt (c) [18] …………………………………… Hình 1.10 Một số tâm ghim vách đômen: tâm nằm vách phẳng (a), tâm dạng (b) tâm tròn (c) [26] …………………… Hình 1.11 Hai loại sai hỏng (a) lượng vách đômen phụ thuộc vào vị trí từ trường ngồi (b) [30] …………………… Hình 1.12 Sự phụ thuộc nhiệt độ lực kháng từ số nam châm vĩnh cửu [31] ……………………………………………………… Hình 1.13 Mẫu vi cấu trúc chiều cấu trúc vi từ vật liệu composite tương tác trao đổi sử dụng làm sở để tính kích thước tới hạn vùng pha, (a) độ từ hóa đạt bão hòa, 17 18 20 20 22 23 24 25 26 27 29 (b)-(c) Sự khử từ tăng từ trường nghịch đảo H trường hợp bm >> bcm , (d) Sự khử từ trường hợp giảm bm đến kích thước tới hạn bcm [32] …………………………… Hình 1.14 Cấu trúc hai chiều lí tưởng nam châm đàn hồi [6] 32 Hình 1.15 Các đường cong khử từ điển hình: (a) Có tương tác trao đổi, bm = bcm (b) Có tương tác trao đổi với vi cấu trúc dư thừa, bm >> bcm (c) Chỉ có pha từ cứng (d) Hai pha từ cứng, từ mềm không tương tác với [5] 33 Hình 1.16 Sơ đồ thiết bị phun băng trống quay đôi [3] 34 Hình 1.17 Hình ảnh thiết bị phun băng trống quay đơn [3] 35 Hình 1.18 Giản đồ C-C-T biểu diễn đường nguội tạo pha vơ định hình hoặc tinh thể hố [6] Hình 1.19 Giản đồ C-C-T cho nanocomposite Fe3B/Nd2Fe14B, đường cong nguội liên tục tương ứng với tốc độ nguội khác [33] Hình 1.20 Sự thay đổi nhiệt độ băng nguội nhanh Nd4,5Fe77B18,5 theo thời gian với tốc độ khác trống quay [34] Hình 1.21 Các giản đồ nhiệt dung quét vi sai (Differential Scanning Calorimetry - DSC) vật liệu vơ định hình Nd4,5Fe77B18,5 với tốc độ quét nhiệt khác [36] Hình 1.22 Ảnh nhiễu xạ tia X băng nguội nhanh Nd4Fe77,5B18,5 với vận tốc trống quay khác [37] ………………………… Hình 1.23 Sơ đồ cấu trúc thiết bị thiêu kết xung điện Plasma [37]… 36 36 37 38 40 42 Hình 1.24 Mơ tả q trình triệt tiêu vùng rỗng hạt SPS [38] 43 Hình 1.25 So sánh trình ép SPS HP (Hot Press) bột hợp kim nhôm (a); Sự phụ thuộc độ xốp vào trình lên nhiệt (b) [36] ……………………………………………………………… 44 Hình 1.26 Nam châm dị hướng NdFeB chế tạo phương pháp SPS [39] 45 Hình 2.1 Sơ đồ khối hệ nấu mẫu lò hồ quang ………………… 46 Hình 2.2 Ảnh hệ nấu hợp kim hồ quang ……………………………………… 47 Hình 2.3 Sơ đồ khối hệ phun băng nguội nhanh ……………………… 49 Hình 2.4 Ảnh tồn thiết bị phun băng nguội nhanh 50 Hình 2.5 Nguyên lý kỹ thuật nghiền lượng cao [3] 52 Hình 2.6 Máy nghiền SPEX 8000D (a), cối bi nghiền (b) ……… 53 Hình 2.7 Ảnh thiết bị SPS Labox-210 …………………………………….… 53 Hình 2.8 Khn chày grafit sử dụng SPS ………………………… … 54 Hình 2.9 Lị ủ nhiệt Thermolyne ………………………………………………… 54 Hình 2.10 Mơ hình hình học tượng ……………………………… 55 Hình 2.11 Thiết bị Siemen D-5000 …………………………………………… 56 Hình 2.12 Sơ đồ nguyên lý hệ đo từ trường xung ………………………… 57 Hình 2.13 Hệ đo từ trường xung ……………………………………………… 58 Hình 3.1 Khn graphit mẫu khối Nd3Tb1Fe71Co5Cu0,5Nb1B18,5 chế tạo phương pháp SPS .………………………………… 60 Hình 3.2 Phổ XRD mẫu băng mẫu khối vật liệu Nd3Tb1Fe71Co5Cu0,5Nb1B18,5 ……………………………………… 61 Hình 3.3 Chế độ thiêu kết bột Nd3Tb1Fe71Co5Cu0,5Nb1B18,5 ………… 62 Hình 3.4 Đường cong từ trễ mẫu Nd3Tb1Fe71Co5Cu0,5Nb1B18,5: Dạng băng chưa ủ nhiệt (a) dạng khối nhiệt độ thiêu kết SPS khác (b) ………………………………………………… 63 Hình 3.5 Giản đồ XRD (a) đường cong từ trễ (b) mẫu băng nguội nhanh Nd10,5Fe80,5Nb3B6 ………………………………………………… 66 Hình 3.6 a) Đường cong từ trễ mẫu Nd10,5Fe80,5Nb3B6 chế tạo phương pháp SPS nhiệt độ 650oC, 700oC 750oC, thời gian giữ nhiệt phút; b) Đường biểu diễn phụ thuộc Hc theo nhiệt độ thiêu kết Tsps ……………………………… 68 Hình 3.7 a) Đường cong từ trễ mẫu Nd10,5Fe80,5Nb3B6 chế tạo phương pháp SPS nhiệt độ 700oC, thời gian giữ nhiệt 0,5 10 phút; b) Đường biểu diễn phụ thuộc Hc theo thời gian thiêu kết tsps ………………………………………….… 69 ... nghệ chế tạo vật liệu? Từ lý định chọn đề tài nghiên cứu luận văn là: ? ?Nghiên cứu chế tạo vật liệu từ cứng nanocomposite NdFe-B phương pháp thiêu kết xung điện plasma? ?? Mục đích nghiên cứu Chế tạo. .. 39 1.6 Chế tạo vật liệu từ cứng nanocomposite Nd-Fe-B phương pháp thiêu kết xung điện plasma 41 Chương NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 46 2.1 Chế tạo vật liệu nanocomposite. .. Chương KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 60 3.1 Nghiên cứu chế tạo vật liệu từ cứng nanocomposite Nd3Tb1Fe71Co5Cu0,5Nb1B18,5 phương pháp thiêu kết xung điện plasma 60 3.2 Nghiên cứu chế tạo vật