Nghiền cơ năng lượng cao là kĩ thuật luyện kim bột, cho phép tạo ra các bột vật liệu có kích thước nanomet bằng cách sử dụng động năng dựa trên sự va đập từ các bi thép cứng với tốc độ rất cao vào vật liệu.
26
Vật liệu đem nghiền được đặt vào buồng kín, được lắc với tốc độ rất cao (có thể đạt 650 vòng/phút đến vài nghìn vòng/phút). Buồng chứa vật liệu được bao kín, có thể hút chân không cao và nạp các khí hiếm tạo môi trường bảo vệ. Quá trình hợp kim hóa diễn ra nhờ sự va đập và nhào trộn khi buồng được quay với tốc độ cao. Nhờ quá trình này có thể hình thành phản ứng pha rắn tạo ra các hợp chất như dự kiến.
Hình 2.4. Nguyên lý nghiền cơ năng lượng cao.
Quá trình nghiền cơ năng lượng cao bao gồm: nạp bột (vật liệu ban đầu), phần tử nghiền (thường là bi thép cứng) trong một cối nghiền (cùng vật liệu với bi nghiền), đậy kín rồi đưa vào máy nghiền. Những vật liệu dễ bị oxy hóa cần nạp khí bảo vệ vào cối trước khi nghiền.
Thiết bị nghiền cơ năng lượng cao được sử dụng phổ biến trong thực tế tại Việt Nam là máy nghiền SPEX 8000D (hình 2.5a). Cối và bi nghiền được làm bằng thép không rỉ, cối được đậy kín bằng nắp có vòng cao su bảo vệ (hình 2.5b).
27
a) b)
Hình 2.5. Máy nghiền cơ SPEX 8000D (a), cối và bi nghiền (b).
Máy có khả năng nghiền 10 g vật liệu/lần. Khi máy hoạt động, cối được lắc đi lắc lại nhiều lần (khoảng vài nghìn lần/phút), các bi thép chuyển động đập vào thành cối, nghiền nhỏ mẫu vật liệu tới kích thước mịn cần phân tích. Với cấu tạo hai kẹp, máy không chỉ làm tăng gấp đôi mẫu nghiền trong cùng một khoảng thời gian mà còn giúp chuyển động cân bằng hơn, giảm rung và kéo dài tuổi thọ của máy. Trên máy còn gắn một đồng hồ điện tử có thể thay đổi để xác định thời gian nghiền cùng bộ phận làm trơn, làm mát, khớp cài an toàn và một quạt bảo vệ động cơ, giữ cho máy mát trong suốt thời gian sử dụng.
Nghiền cơ năng lượng cao là kỹ thuật xử lý đa năng, thuận lợi về kinh tế, đơn giản về kỹ thuật, đang là kỹ thuật phổ biến để chế tạo vật liệu nano. Ưu điểm lớn nhất của nghiền cơ năng lượng cao là tổng hợp được nhiều hợp kim mới từ những phân tử không thể trộn lẫn thông thường bằng các kỹ thuật khác.
Kết quả chế tạo mẫu Mn65Ga20Al15/Fe65Co35 bằng phương pháp nghiền cơ năng lượng cao của nhóm tác giả [17] như sau: Các hạt nano pha cứng Mn65Ga20Al15 có lực kháng từ cỡ 12 kOe và các hạt nano pha mềm Fe65Co35
có từ độ bão hòa khoảng 227 emu/g. Tính chất từ của hệ nanocomposite được khảo sát với tỉ phần pha mềm từ 5 – 20%, thu được giá trị cao nhất của
28 (BH)max cỡ 4,3 MGOe.
Bảng 2.2. Tính chất từ của hệ Mn65Ga20Al15/Fe65Co35 với tỉ phần khác nhau của pha từ mềm.
% Fe65Co35 Ms (emu/g) Hc (kOe) (BH)max (MGOe)
0 32 12 1,7
5 38 9,2 2,4
10 43 7,4 3,3
15 48 4,7 4,3
20 54 1,7 2,7
Hình 2.6. Đường cong từ trễ ở nhiệt độ phòng của vật liệu nanocomposite Mn65Ga20Al15/Fe65Co35 với 5, 10, 15, 20% trọng lượng Fe65Co35.
Ta có thể thấy rằng từ độ bão hòa của nanocomposite tăng lên khi tăng phần trăm khối lượng pha từ mềm nhưng lực kháng từ của mẫu lại giảm. Chứng tỏ kích thước các hạt chưa tối ưu như mô hình lý thuyết. Do đó, một
29
phần các hạt pha cứng và pha mềm không tương tác với nhau mà tồn tại độc lập làm đường cong từ trễ thắt lại.
Yanfeng Su và các cộng sự [33] đã chế tạo thành công hệ nanocomposite Sm-Co/-Fe có pha từ cứng SmCo5 và pha từ mềm α-Fe (10 và 20% khối lượng pha từ cứng). Mẫu tổ hợp được nghiền cơ năng lượng cao trong thời gian 5 h. Sau đó được ủ ở các nhiệt độ khác nhau trong từ trường 2,8 T của nam châm vĩnh cửu và ủ nhiệt không có từ trường.
Hình 2.7. a) đường cong từ trễ, b) nhiễu xạ tia X của mẫu SmCo5/α-Fe với 10% khối
lượng α-Fe được ủ với thời gian 1 giờ trong từ trường 2,8 T.
Hình 2.7b cho thấy sau ủ nhiệt xuất hiện các đỉnh được trưng của pha SmCo và pha α-Fe khá sắc nét. Mẫu ủ ở nhiệt độ 650oC có cường độ đỉnh khá cao. Hình 2.7a là đường cong từ trễ của mẫu ủ ở các nhiệt độ khác nhau. Dáng điệu đường từ trễ khá vuông, chứng tỏ sự tương tác giữa hai pha cứng/mềm tương đối tốt. Khi ủ nhiệt Br không thay đổi nhiều tuy nhiên lực kháng từ tăng lên rõ rệt. Từ trường (Oe) Mô m en ( em u /g ) C ườn g độ ( a. u) Góc
30
Hình 2.8. (a) Lực kháng từ và từ dư, (b) Từ dư rút gọn của mẫu SmCo5 + 20wt.% Fe
điều chế bằng nghiền cơ trong 5 h, ủ ở các nhiệt độ khác nhau trong 1 h trong từ
trường 2,8 T và không ủ trong từ trường, (c) Đường cong từ trễ của mẫu ủ ở 550oC với
thời gian 1 h trong từ trường và không có từ trường.
Với các kết quả trên có thể thấy khi ủ trong từ tường mẫu có tính dị hướng từ tốt hơn mẫu không ủ trong từ trường. Dáng điệu đường cong từ trễ vuông hơn so với mẫu ủ nhiệt không có từ trường.