Nguyên lý hoạt động của hệ đo này là dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ. Mẫu cần đo được đặt trong từ trường ngoài do nam châm điện gây ra.
Mômen từ của mẫu được xác định dựa vào suất điện động cảm ứng sinh ra do
sự dịch chuyển tương đối giữa mẫu và cuộn dây, cụ thể trong trường hợp này là mẫu rung còn cuộn
Phép đo từ trễ của tất cả các mẫu trong luận văn đều được đo trên hệ từ trường xung. Từ các đường từ trễ này có thể xác định được các đại lượng đặc trưng quan trọng như: Hc, Ms, Mr và (BH)max. Nguyên lý hoạt động của hệ đo này như sau:
Hệ được thiết kế theo nguyên tắc nạp - phóng điện qua bộ tụ điện và cuộn dây (hình 2.11). Dòng một chiều qua K1, nạp điện cho tụ làm cho tụ tích năng lượng cỡ vài chục kJ. Khi khoá K2 đóng thì dòng điện tồn tại trong thời
gian ngắn đã phóng điện qua cuộn dây nam châm L và tạo trong lòng ống dây
một từ trường xung cao. Mẫu đo được đặt tại tâm của cuộn nam châm cùng với hệ cuộn dây cảm biến pick – up.
Hình 2.11. Sơ đồ nguyên lý hệ đo từ trường xung.
Tín hiệu ở lối ra tỷ lệ với vi phân từ độ và vi phân từ trường sẽ được
thu thập, xử lí hoặc lưu trữ cho các mục đích cụ thể. Từ trường trong lòng ống
dây có thể được sử dụng để nạp từ cho các mẫu vật liệu khi chỉ dùng một nửa
chu kì hình sin của dòng điện phóng.
Để tránh được hiệu ứng trường khử từ, các mẫu băng được đặt sao cho
từ trường ngoài song song và dọc theo chiều dài của băng, các mẫu khối đều được cắt theo dạng hình trụ. Các mẫu đo được gắn chặt vào bình mẫu để tránh
sự dao động của mẫu trong quá trình đo.
Trong quá trình làm thực nghiệm chúng tôi đã sử dụng hệ đo từ trường xung đặt tại Viện khoa học Vật liệu, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam
(hình 2.12).Từ trường cựcđại mà hệ đo này đạt được cỡ 90 kOe.
Hình 2.12. Hệ đo từ trường xung.
Kết quả của phép đo từ trễ là các đường Mm(H) với H là từ trường
ngoài (đơn vị đo: T) và Mm từ độ (đơn vị đo: emu/g). Các số liệu này được xử lý để đưa về hệ đơn vị CGS, sử dụng các công thức chuyển đổi đơn vị.
Chuyển từ độ theo khối lượng Mm (emu/g) sang từ độ theo thể tích Mv
(emu/cm3) là:
MV = rMm (2.2) với r là khối lượng riêng của vật liệu.
Chuyển từ trường ngoài sang trường hiệu dụng có tính đến hiệu ứng
khử từ:
Heff = Hext - 4pMv.D. (2.3)
với D là hệ số trường khử từ.
Cảm ứng từ B (G): B = 4pMv + Heff (2.4)
Hình 2.13. Sự phụ thuộc của hệ số
khử từ D vào tỷ số L/d.
Hình 2.14. Đường cong từ trễ của nam
châm Nd-Fe-B chưa bổ chính (đường
liền nét) và đã bổ chính (đường đứt nét)
ứng với mẫu hình trụ .
Khi sử dụng hệ đo từ trường xung để đo đường cong từ trễ của các vật
liệu từ cứng cần phải xác định hệ số khử từ do hệ đo với mạch từ hở. Hệ số
khử từ D phụ thuộc vào hình dạnh mẫu. Hình 2.13 là sự phụ thuộc của hệ số
khử từ D vào tỷ số L/d cho các mẫu hình trụ, do Nakagawa và các tác giả đưa
ra, khi sử dụng nguồn từ trường tĩnh là cuộn dây nam châm được làm lạnh
bằng nước có năng lượng cao với từ trường tới 15 T. Hình 2.14 là một ví dụ
về đường cong từ trễ đã bổ chính ứng với mẫu hình trụ có tỷ số L/d bằng 0,4. Trong luận văn này chúng tôi đo mẫu ở dạng hình trụ và hệ số khử từ D được
Chương 3
KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
3.1. Nghiền cơ năng lượng cao và ép nóng đẳng tĩnh hệ mẫu Nd10,5Fe83,5-xMxB6 (với M = Nb, Ga, Ti, Zr)
Một trong những vấn đề ảnh hưởng không tốt đến phẩm chất từ của vật liệu nanocomposite Nd-Fe-B là sự hình thành các tinh thể có kích thước lớn và không đồng đều. Từ đó, chúng sẽ làm giảm hiệu ứng trao đổi đàn hồi và do đó làm giảm tích năng lượng (BH)max của vật liệu. Để hạn chế sự bất lợi này, nhiều nhóm nghiên cứu đã pha thêm một số nguyên tố khác như Nb, Cr, Zr, V, Ga, Ti... vào hợp kim để khống chế kích thước hạt. Kết quả cho thấy các nguyên tố có khả năng trong việc khống chế sự phát triển các hạt nano tinh thể trong hợp kim. Bên cạnh đó chúng còn có tác dụng triệt tiêu các vùng giàu Fe kết tinh bất lợi, tạo tâm ghim vách đômen ở biên hạt do đó làm tăng lực kháng từ của vật liệu và cải thiện độ vuông góc của đường cong khử từ.
Để tạo được cấu trúc vi mô cho nam châm đàn hồi gần với mô hình lí tưởng thì việc khống chế để tạo các hạt có kích thước nanomet đồng đều nhau là điều rất quan trọng. Trong những năm gần đây, có rất nhiều phương pháp được áp dụng để tạo ra vật liệu có cấu trúc nanô với kích thước hạt có thể được khống chế như tổng hợp hóa học, kết tủa điện hóa, nghiền cơ năng lượng cao (NCNLC)... Trong đó phương pháp NCNLC đã được một số tác giả sử dụng để nghiên cứu chế tạo nam châm đàn hồi [17]. Trong luận văn này, chúng tôi tiến hành tạo các băng hợp kim Nd10,5Fe83,5-xMxB6 (với x = 0; 1,5 và 3; M = Nb, Ga, Ti, Zr) sử dụng phương pháp phun băng nguội nhanh với mục đích tạo ra các băng VĐH. Sau đó nghiền nhỏ bằng phương pháp nghiền cơ năng lượng cao để tăng khả năng kết dính cho vật liệu. Cuối cùng, ép kết dính bằng phương pháp ép nóng đẳng tĩnh với mục đích tăng mật độ khối, nâng cao từ độ bão hòa và cơ tính cho vật liệu.
3.1.1. Nghiền cơ năng lượng cao
Hợp kim Nd10,5Fe83,5-xMxB6 (với x = 0; 1,5 và 3; M = Nb, Ga, Ti, Zr) sau khi nấu hồ quang được đem phun băng nguội nhanh với tốc độ trống quay 40m/s. Sau đó
cho vào cối nghiền cơ năng lượng cao với thời gian khác nhau trong khoảng 10 h. Tỉ lệ bi/vật liệu là 4:1. Quá trình nấu hồ quang và phun băng nguội nhanh được tiến hành trong môi trường khí Ar. Mẫu nghiền cơ được nghiền cùng dung môi xăng công nghiệp để tránh sự ôxy hóa cho hệ hợp kim. Do được phun băng với tốc độ cao (tốc độ làm nguội lớn) nên các mẫu băng hợp kim đều thể hiện cấu trúc VĐH. Trên hình 3.1 là hình phổ nhiễu xạ tia X đặc trưng của băng hợp kim Nd10,5Fe80,5- xM3B6 với tốc độ trống quay là 40m/s khi chưa ủ nhiệt.
Hình 3.1. Phổ nhiễu xạ tia X của các mẫu băng hợp kim Nd10,5Fe80,5Nb3B6khi chưa
ủ nhiệt.
Chúng tôi tiến hành nghiền cơ năng lượng cao hệ băng hợp kim trên với mục đích là khảo sát ảnh hưởng của thời gian nghiền lên kích thước hạt của mẫu bột và khả năng kết dính cho hợp kim khi đem đi ép nóng đẳng tĩnh. Trên hình 3.2 là ảnh SEM của hệ hợp kim Nd10,5Fe80,5Nb3B6, được nghiền cơ năng lượng cao với thời gian nghiền 7h và 10h. Quan sát hình vẽ ta thấy với các thời gian nghiền này các hạt tinh thể bị kết đám, rất khó quan sát được các hạt riêng rẽ. Tuy nhiên chúng tôi vẫn đánh giá được kích thước hạt tinh thể vào cỡ khoảng 10-20 nm với mẫu nghiền 7h. Còn với thời gian nghiền 10h thì rất khó đánh giá được kích thước hạt. Như vậy có thể thấy rằng, để đạt được kích thước hạt một vài chục nanomet, đủ để xảy ra hiệu ứng trao đổi đàn hồi, cần một thời gian nghiền không quá dài (nhỏ hơn 10h).
3 0 3 5 4 0 4 5 5 0 5 5 6 0 6 5 7 0 2q (d o) C u o n g d o ( d .v. t. y )
a) b)
Hình 3.2. Ảnh SEM của mẫu Nd10,5Fe80,5Nb3B6 sau khi nghiền cơ năng lượng
cao với a)thời gian 7h và b)thời gian nghiền 10h.
3.1.2. Ép nóng đẳng tĩnh
Sau khi nghiền nhỏ băng hợp kim thành bột kích thước nanomet, chúng tôi tiến hành ép nóng đẳng tĩnh các mẫu bột lần thứ nhất ở nhiệt độ 950oC và áp suất 20.000 Psi, với mục đích dùng áp suất cao ép kết dính các hạt hợp kim nanomet thành dạng khối mà không cần chất kết dính hữu cơ và mong muốn kết hợp ủ nhiệt trong quá trình ép nóng tạo các hạt tinh thể.
Các mẫu ép nóng đẳng tĩnh đã được thử nghiệm chế tạo và thu được một số kết quả ban đầu khá thú vị. Hình 3.3a là ảnh các mẫu đã được bọc vỏ và hàn kín. Hình 3.3b là ảnh của các mẫu hợp kim dưới dạng khối đã được ép đẳng tĩnh với áp suất 20.000 Psi ở nhiệt độ 950oC trong 15 phút. Chúng tôi nhận thấy rằng, các mẫu có mối hàn chưa kín thì vỏ bọc không bị bẹp và mẫu vẫn còn ở dạng bột (do khí lọt vào trong vỏ và đi vào các biên hạt). Còn đối với các mẫu được hàn kín thì vỏ bọc bẹp lại và mẫu bên trong đã được ép kết dính thành dạng khối rất rắn chắc. Như vậy, ở áp suất cao các mẫu bột có thể được ép kết dính ở dưới nhiệt độ nóng chảy và như vậy chắc chắn sẽ làm tăng được mật độ khối hay từ độ bão hòa của nam châm (do không phải dùng keo hữu cơ để kết dính). Qua quá trình thực nghiệm, chúng tôi nhận thấy rằng công đoạn hút chân không và hàn kín vỏ bọc cho các mẫu ép nóng đẳng tĩnh rất quan trọng. Nếu mối hàn không kín thì mẫu không được kết
dính. Nếu chân không chưa đủ cao thì mẫu dễ bị xốp và rạn nứt. Khi mẫu được hút chân không cao và hàn kín thì mẫu được kết dính rất rắn chắc. Chúng tôi cũng đã thử nghiệm ép nóng đẳng tĩnh cho một số mẫu dạng băng (chưa nghiền thành bột) và thấy rằng các mảnh băng cũng được kết dính rất tốt nếu bảo đảm được chân không cao trong vỏ mẫu.
a) b)
Hình 3.3. Ảnh mẫu ép nóng đẳng tĩnh với áp suất 20.000 Psi ở 9500
C với vỏ bọc ngoài (a), đã bóc vỏ (b).
Chúng tôi cũng đã khảo sát tính chất từ của các mẫu sau khi ép nóng, kết quả đo tính chất từ của các mẫu bột và mẫu băng sau khi ép nóng đẳng tĩnh được thể hiện trên hình 3.4 và 3.5. Ta thấy rằng các mẫu đều thể hiện tính từ cứng chưa cao Hc mới chỉ đạt gần 2 kOe. Điều này có thể là do nhiệt độ ép quá cao và thời gian ép còn dài dẫn đến sự phát triển của các hạt nano tinh thể thành các hạt có kích thước lớn làm suy giảm tính từ cứng của vật liệu. Tuy nhiên các mẫu lại có từ độ bão hòa cao, chứng tỏ bằng phương pháp ép nóng đẳng tĩnh đã tạo mật độ khối hay từ độ bão hòa cho nam châm. Trong thời gian tiếp theo (khi thiết bị ép nóng được sửa chữa), chúng tôi sẽ giảm dần nhiệt độ và thời gian ép nóng đẳng tĩnh, hy vọng sẽ thu được các mẫu nam châm đàn hồi vừa có từ độ bão hòa lớn vừa có Hc lớn.
-15 -10 -5 0 5 10 15 -15 -10 -5 0 5 10 15 Nb1,5 Nb3 4 pM ( k G ) H c(kOe) -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 Ga1,5 Ga3 4 p M ( k G ) H c (kOe)
Hình 3.4. Đường cong từ trễ của một số mẫu bột sau khi ép nóng đẳng tĩnh.
-15 -10 -5 0 5 10 15 -15 -10 -5 0 5 10 15 Nb1,5 4 p M ( kG ) H c (kOe) -10 -5 0 5 10 -10 -5 0 5 10 Ti1,5 4 p M ( k G ) H c (kOe)
Hình 3.5. Đường cong từ trễ của một số mẫu băng sau khi ép nóng đẳng tĩnh.
3.2. Ảnh hưởng của quá trình ủ nhiệt lên cấu trúc và tính chất từ của hệ băng hợp kim Nd10,5Fe83,5-xMxB6
Trong phần này chúng tôi nghiên cứu ảnh hưởng của việc ủ nhiệt lên cấu trúc và tính chất từ của hệ băng hợp kim Nd10,5Fe83,5-xMxB6 (với x = 0; 1,5 và 3; M = Nb,
Ga, Ti, Zr). Theo các kết quả nghiên cứu trước đây, chúng tôi nhận thấy cấu trúc và tính chất từ của hợp kim phụ thuộc rất nhiều vào tốc độ phun băng nguội nhanh hợp kim. Khi các mẫu được phun băng ở tốc độ thấp gần như bị kết tinh hoàn toàn. Vì vậy, khả năng hình thành các pha không mong muốn là rất cao và chúng ta rất khó có thể tiến hành ủ nhiệt để giúp hình thành các pha mong muốn. Tốc độ phun băng càng lớn thì khả năng hình thành pha vô định hình càng cao. Tuy nhiên, nếu tốc độ phun băng quá lớn, mẫu băng rất mỏng và vụn nên rất khó tạo được bột hợp kim có kích thước tối ưu cho quá trình tạo nam châm. Chính vì vậy, trong nghiên cứu này chúng tôi lựa chọn tốc độ phun băng là 40m/s.
3.2.1. Ảnh hưởng của việc pha thêm Ti và quá trình ủ nhiệt lên cấu trúc và tính chất từ của hệ hợp kim Nd10,5Fe83,5-x TixB6
Ảnh hưởng của các nguyên tố Nb, Co, Ga, Zr đã được nghiên cứu chi tiết ở một số các công trình trước đây [4], [6]. Trong luận văn này, chúng tôi nghiên cứu ảnh hưởng của Ti lên vi cấu trúc và tính chất từ của vật liệu từ cứng nanocomposite Nd10,5Fe83,5-xTixB6 (x = 0; 1,5 và 3) chế tạo bằng phương pháp phun băng nguội nhanh kết hợp ủ nhiệt đã được khảo sát. Kết quả thu được cho thấy sự pha thêm Ti đã cải thiện đáng kể vi cấu trúc và tính chất từ cứng của vật liệu. So với các nguyên tố khác như Co và Nb, sự có mặt của Ti làm tăng mạnh sự hình thành pha từ cứng Nd2Fe14B và ngăn chặn hiệu quả sự kết tinh của các pha không không muốn. Mặt khác, Ti làm các hạt kết tinh đồng đều hơn và nâng cao lực kháng từ của vật liệu. Lực kháng từ, Hc, lớn hơn 10 kOe và tích năng lượng cực đại, (BH)max, đạt được khoảng 15 MGOe, đã thu được ở các mẫu với nồng độ Ti thích hợp. Hình 3.6a là phổ XRD của mẫu băng hợp kim khi chưa ủ nhiệt. Kết quả cho thấy rõ ràng khi pha thêm Ti vào đã cải thiện rất nhiều cấu trúc của hợp kim. Ở các mẫu khi chưa có Ti ta thấy có sự xuất hiện của pha Nd2Fe17, pha này gần như là chiếm ưu thế với các đỉnh nhiễu xạ tương đối cao và sắc nét. Khi có mặt Ti, pha Nd2Fe17 gần như bị triệt tiêu hoàn toàn, chủ yếu còn lại là pha Nd2Fe14B và α-Fe. Tuy nhiên, các đỉnh nhiễu xạ của hai pha này có cường độ tương đối yếu, chứng tỏ trong mẫu đã hình thành
các hạt tinh thể nhưng có kích thước rất nhỏ và sự hình thành pha vô định hình dần chiếm ưu thế.
Hình 3.6. Phổ XRD của băng nguội nhanh Nd10,5Fe83,5-xTixB6(x = 0; 1,5 và 3) trước
(a) và sau khi ủ ở nhiệt độ 700oC trong thời gian 10 phút (b).
Hình 3.6b là phổ XRD của băng nguội nhanh Nd10,5Fe83,5-xTixB6 (x = 0; 1,5 và 3) sau khi được ủ ở nhiệt độ 700oC trong thời gian 10 phút. Ta nhận thấy rõ ràng quá trình ủ nhiệt đã có một ảnh hưởng lớn lên cấu trúc của hệ hợp kim. Sau khi ủ nhiệt, ở mẫu không có Ti vẫn tồn tại pha Nd2Fe17, tuy nhiên pha này xuất hiện với cường độ các đỉnh nhiễu xạ yếu hơn và tỉ phần pha cũng giảm đáng kể. Sự thay đổi rõ rệt xuất hiện ở các mẫu khi có sự pha thêm của Ti. Ở các mẫu này, ta nhận thấy có sự hình thành chủ yến là hai pha Nd2Fe14B và α-Fe với cường độ các đỉnh nhiễu xạ khá cao và sắc nét. Như vậy, với sự pha thêm của Ti đã cải thiện rất rõ cấu trúc
của vật liệu, giúp hình thành các pha mong muốn. Điều này có ý nghĩa rất quan trọng trong công nghệ chế tạo vật liệu.
-150 -100 -50 0 50 100 150 -30 -20 -10 0 10 20 30 x = 1.5 x = 3 x = 0 M ( e m u /g ) H c(kOe)
Hình 3.7. Đường cong từ trễ của các mẫu băng Nd10,5Fe83,5-xTixB6 (x = 0; 1,5 và 3)