Phương pháp hóa học dùng để chế tạo các hạt nano từ cũng đã được phát triển từ lâu. Phương pháp hóa học có thể tạo ra các hạt nano với độ đồng nhất cao, rất thích hợp cho ứng dụng y sinh. Nguyên tắc tạo hạt nano bằng phương pháp hóa học là kết tủa từ một dung dịch đồng nhất dưới các điều kiện nhất định hoặc phát triển hạt từ thể hơi khi hóa chất ban đầu bị phân rã.
Trong phương pháp kết tủa từ dung dịch, khi nồng độ của chất đạt đến một trạng thái bão hòa tới hạn, trong dung dịch sẽ xuất hiện đột ngột những mầm kết tụ. Các mầm kết tụ đó sẽ phát triển thông qua quá trình khuếch tán của vật chất từ dung dịch lên bề mặt của các mầm cho đến khi mầm trở thành hạt nano. Để thu được hạt có độ đồng nhất cao, người ta tách phương pháp chế tạo này theo hai giai đoạn là hình thành mầm và phát triển mầm. Trong quá trình phát triển mầm, cần hạn chế sự hình thành của những mầm mới. Một số phương pháp kết tủa từ dung dịch phổ biến là: đồng kết tủa, polyol,...
35
Phương pháp đồng kết tủa là một trong những phương pháp thường được dùng để tạo các hạt oxit sắt. Hydroxide sắt bị oxy hóa một phần bằng một chất oxy hóa khác hoặc tạo hạt từ Fe+2 và Fe+3 trong dung môi nước. Polyol là phương pháp thường dùng để tạo các hạt nano kim loại như Ru, Pd, Au, Co, Ni, Fe,... Các hạt nano kim loại được hình thành trực tiếp từ dung dịch muối kim loại có chứa polyol (rượu đa chức). Polyol vừa có tác dụng như một dung môi vừa có tác dụng như một chất khử ion kim loại.
Trong phương pháp tạo hạt từ thể hơi, sự nhiệt phân bụi hơi chất lỏng và laser là những kĩ thuật rất tốt để tạo ra trực tiếp và liên tục các hạt nano từ tính. Sự khác biệt giữa nhiệt phân bụi hơi chất lỏng và laser ở trạng thái cuối cùng của vật liệu. Ở phương pháp nhiệt phân bụi hơi, hạt nano thường kết tụ thành từng đám còn ở phương pháp nhiệt phân laser thì không. Nguyên tắc của phương pháp nhiệt phân bụi hơi là chất rắn được hình thành khi chất lỏng được phun vào một chuỗi các bình phản ứng, ở đó, chất lỏng bốc hơi, chất rắn ngưng tụ, quá trình làm khô và nhiệt phân xảy ra ở mỗi hạt chất lỏng. Kết quả thu được là chất rắn xốp. Phương pháp nhiệt phân laser là sử dụng laser CO2
để khởi động và duy trì phản ứng hóa học. Khi áp suất và năng lượng laser vượt quá ngưỡng nhất định, quá trình hình thành hạt nano sẽ xảy ra. Kết quả thu được các hạt nano có kích thước rất nhỏ, độ đồng nhất cao và không bị kết tụ.
Bằng phương pháp hóa học, nhóm tác giả [8] đã chế tạo thành công vật liệu tổ hợp cấu trúc lõi/vỏ FePt/Co.
36
Hình 2.13. Mô hình cấu trúc lõi/vỏ của mẫu FePt/Co.
Hình 2.14. a) Đường cong từ trễ ở nhiệt độ phòng của mẫu FePt và FePt/Co có cấu trúc lõi/vỏ với kích thước 8/4 nm; b) Sự phụ thuộc của Ms và Hc vào tổ hợp lõi/vỏ FePt/Co; c) Đường cong từ trễ ở nhiệt độ phòng của mẫu tổ hợp lõi/vỏ FePt/Co có kích thước 8/4
nm được ủ ở nhiệt độ 300 và 350oC; d) Ms và Hc của tổ hợp FePt/Co đã ủ nhiệt với kích thước vỏ thay đổi.
Hiện nay để chế tạo được vật liệu từ cứng có cấu trúc vỏ - lõi với quy mô thương mại là rất khó khăn nên mới chỉ mới dừng lại ở nghiên cứu cơ bản.
37
KẾT LUẬN
1. Vật liệu nanocomposite đang được quan tâm nghiên cứu vì những tính chất từ nổi trội của nó. Nanocomposite vừa có ưu điểm lực kháng từ cao của vật liệu từ cứng, vừa có ưu điểm từ độ bão hòa và nhiệt độ Curie cao của vật liệu từ mềm. Tính thuận nghịch trong quá trình khử từ của NCĐH lớn hơn nam châm truyền thống.
2. Các mô hình lý thuyết vừa trình bày cho thấy để có được phẩm chất từ tốt trong nam châm tổ hợp thì pha từ cứng và pha từ mềm phải có kích thước cỡ 10 nm và có tương tác trao đổi với nhau. Ở kích thước này khi tăng tỉ phần pha từ mềm lên trên 50% thể tích thì từ độ dư tăng nhanh, lực kháng từ giảm nhưng vẫn có giá trị tương đối cao, từ đó giảm tỉ phần pha từ cứng, đồng nghĩa với việc giảm lượng đất hiếm giúp hạ giá thành và tăng độ bền của nam châm. Theo tính toán của Schreft thì tỉ phần pha từ mềm tối ưu là 75%, khi đó (BH)max đạt 662 kJ/m3 (82,75 MGOe), với µoHc = 1,01 T (10,1 kOe), Jr = 1,85 T (18,5 kG) và độ vuông góc Jr/Js = 0,92.
3. Hiện nay một số hệ nanocomposite như hệ Nd-Fe-B đã được thương mại hóa, còn lại một số hệ như Sm-Co/α-Fe, Mn-Bi/α-Fe,… vẫn đang được nghiên cứu.
4. Tính chất từ của các hệ nanocomposite theo lý thuyết là rất tốt tuy nhiên phẩm chất từ hiện nay của các hệ đang bị giới hạn bởi công nghệ chế tạo.
38
TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt
[1]. Dương Đình Thắng (2017), Nghiên cứu chế tạo, cấu trúc và tính chất của vật liệu từ cứng nano tinh thể dị hướng nền đất hiếm và kim loại chuyển tiếp, Luận án Tiến sĩ Khoa học vật liệu, Viện Hàn Lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
[2]. Trần Thị Hà (2015), Nghiên cứu chế tao vật liệu từ cứng nano Mn- Bi/Fe-Co, Luận văn Thạc sĩ khoa học vật chất, Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2.
[3]. Ngô Thị Trường (2018), Ảnh hưởng kích thước hạt pha từ cứng đến tĩnh chất từ của vật liệu từ cứng nanocomposite Mn-Bi/Fe-Co, Khóa luận tốt nghiệp chuyên ngành Vật lý chất rắn Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2.
Tiếng Anh
[4]. J. J. Croat, J. F. Herbst, R. W. Lee & F. E. Pinkerton (1984), "High- energy product Nd-Fe-B permanent magnet", Appl. Phys. Lett., 44, 148-149.
[5]. Duwez P. (1960), "Non-crystalline structure in solidified gold-silicon alloys", Nature., 187, 869-870.
[6]. P. Duwez. and et al (1960), "Metastable Electron Compound in Ag- Ge Alloys", J. Appl. Phys., 31, 1137.
[7]. Eckart F. Kneller. and Reinhard Hawig (1991), "The Exchange- Spring Magnet: A New Material Principle for Permanent Magnets", IEEE Transactions on Magnetics, 27(4), 3588-3600.
[8]. Fei Liu, Jinghan Zhu, Wenlong Yang, Yunhe Dong, Yanglong Hou, Chenzhen Zhang, Han Yin and Shouheng Sun (2014), "Building nanocomposite magnets by coating a hard magnetic core with a sort magnetic shell", Angew. Chem. Int. Ed., 53(8), 2176-2180.
[9]. George C. Hadjipanayis (2010), "Rare-Earth Elements and Other Critical Materials for a Clean Energy Future", Trans-Atlantic Workshop, Cambridge, Massachusetts, December 3,.
39
[10]. J. F. Herbst, J. J. Croat, F. E. Pinkerton and W. B. Yelon (1984), "Relationships between crystal structure and magnetic properties in Nd2Fe14B",
Physical Review B., 29(7), 4176-4178.
[11]. J. J. Croat, J. F. Herbst, R. W. Lee & F. E. Pinkerton (1984), "Pr-Fe and Nd-Fe-based materials: A new class of high-performance permanent magnets", J. Appl. Phys., 55, 2078.
[12]. J. Zhang, Y. K. Takahashi, R. Gopalan & K. Hono (2005), "Sm(Co,Cu)5/Fe exchange spring multilayer films with high energy product",
Appl. Phys. Lett., 86, 122509.
[13]. Luu Tien Hung, Nguyen Thi Quynh Hoa, Duong Dinh Thang, Nguyen Hai Yen, Pham Thi Thanh & Nguyen Huy Dan (2012), "Microstructure of Nd-Fe-(Ga, Zr)-B anisotropic nanocrystalline melt-spun ribbons investigated by high resolution transmission electron microscopy", Prcessding of The 6th International Workshop on Advanced Materials Science and Nanotechnology (IWAMSN2012)., 245-249.
[14]. Luzzi D. E., Li L. & Graham C. D. (1991), "High-resolution trasmission electron microscopy observations on textured rapidly quenched NdFeB permanent magnets", J. Appl. Phys., 70, 6495-6461.
[15]. M. Sagawa, S. Fujimura, N. Togawa, H. Yamamoto & Y. Matsuura. (1984), "New material for permanent magnets on a base of Nd and Fe", J. Appl. Phys., 55, 2063-2067.
[16]. Nadeda Talijan, Jasna Staji-Trosic, Aleksandar Gruji, Vladimir Menushenkov Vladan Cosovic and Radoslav Aleksic (2005), "Nanocomposite permanent magnetic material Nd-Fe-B type / The influence of nanocomposite on magnetic properties", J. Min. Met., 41(B).
[17]. Nguyen Mau Lam, Do Thi Thuy, Pham Ha Trang, Nguyen Hoài Anh, Nguyen Thi Luyen, Nguyen Thi Hien, Ngo Thi Truong, Pham Thi Thanh, Nguyen Hai Yen, Nguyen Van Duong, Nguyen Huy Ngoc, Duong Dinh Thang, Tran Minh Thi and Nguyen Huy Dan (2018), "Investigation of fabrication of Mn-Ga-Al/Fe-Co nanocomposite hard magnetic materials", Adv. Nat. Sci.: Nanosci. Nanotechnol., 9 025012, 1-6.
40
[18]. Nguyen Xuan Truong & Nguyen Van Khanh (2013), "Fabrication and magnetic properties of Nd2Fe14B/Fe65Co35 hard mgnetic ribbons",
Communications in Physics., 23, 147-153.
[19]. P. Duwez (1960), "Continuous Series of Metastable Solid Solutions in Silver-Copper Alloys", J. Appl. Phys., 31, 1136-1137.
[20]. R. Coehoorn & C. de Waard (1990), "Preparation and magnetic properties of Re-Fe-B permanent magnet materials containing Fe,B as main phase", 3, 228-230.
[21]. R. Coehoorn, D. B. de Mooij, J. P. W. B.Duchateau and K. H. J. Buschow (1988), "Novel Permanent Magnetic Materials Made by Rapid Quenching", J. Phys. Colloques.
[22]. Ralph Skomski & J. M. D. Coey (1993), "Giant energy product in nanostructured two-phase magnets", Phys. Rev. B., 48, 15812-15816.
[23]. Rong C. Poudyal N., Zhang Y., Wang D., Kramer M.J., Herbert R. J. & Liu J. P. (2012), "Self - nanoscaling in FeCo alloys prepared via severe plastic deformation", J. Alloys Comp., 521, 55-59.
[24]. Shokrollahi H. Chermahini M.D. (2009), "Milling and subsequent thermal annealing effects on the microstructural and magnetic properties of nanostructured Fe90Co10 and Fe65Co35 powders", J. Alloys Comp., 480, 161-166.
[25]. Skomski R. (1994), "Aligned two-phase magnets: permanet magnetism of the future?", J. Appl. Phys., 76, 7059-7064.
[26]. Strnat K. J. (1988), "Rare earth – cobalt permanent magnes",
E.Wolfarth, K. Buschow (Eds), Handbook of Ferromagnetic Materials., 4, 131- 209.
[27]. T. Schrefl, J. Fidler and H. Kronmüller (1994), "Remanence and coercivity in isotropic nanocrystalline permanent magnets", Phys. Rev. B., 49(9), 6100-6110.
[28]. W.Q. Liu, Z.Z. Cui, X.F. Yi, M. Yue, Y.B. Jiang, D.T. Zhang, J.X. Zhang and X.B. Liu (2010), "Structure and magnetic properties of magnetically isotropic and anisotropic Nd–Fe–B permanent magnets prepared by spark plasma sintering technology", Journal of Applied Physics., 107, 09A719.
41
[29]. X. Ruia, J.E. Shielda, Z. Sunb, L. Yueb, Y. Xub, D.J. Sellmyerb, Z. Liuc and D.J. Millerc (2006), "High-energy product exchange-spring FePt/Fe cluster nanocomposite permanent magnets", Journal of Magnetism and Magnetic Materials., 305, 76-82.
[30]. Y. L. Ma, X. B. Liu, K. Gandha, N. V. Vuong, Y. B. Yang, J. B. Yang, N. Poudyal, J. Cui & J. P. Liu (2014), "Preparation and magnetic properties of MnBi-based hard/soft composite magnets", J. Appl. Phys., 115, 17A755.
[31]. Y. Q. Li, M.Yue, J.H. Zuo, D. T. Zhang, W.Q. Liu, J. X. Zhang, Z.H.Guo & W. Li (2013), "Investigation of Magnetic Properties of MnBi/α-Fe Nanocomposite Permanent Magnets by Micro-Magnetic Simulation", IEEE Transaction on magnetics., 49(7), 3391-3393.
[32]. Y.Q.Li, M.Yue, T.Wang, Q.Wua, D.T.Zhang & Y.Gao (2015), "Investigation of magnetic properties of MnBi/Co and MnBi/Fe65Co35 nanocomposite permanent magnets by micro-magnetic simulation", J. Magn. Magn. Mater., 393, 484-489.
[33]. Yanfeng Su, Hao Su, Yuejin Zhu, Fang Wang, Juan Du, Weixing Xia, Aru Yan, J.Ping Liu & Jian Zhang (2015), "Effects of magnetic field heat treatment on SmeCo/a-Fe nanocomposite permanent magnetic materials prepared by high energy ball milling", Journal of Alloys and Compounds., 647, 375-379.
[34]. Zandrahimi M. Chermahini M. D., Shokrollahi H. & Sharafi S. (2009), "The effect of milling time and composition on microstructural and magnetic properties of nanostructured Fe – Co alloys", J. Alloys Comp., 477, 45- 50.