vtđ)(đ Cườngđộ
3.2. Khảo sát tỉ phần tối ưu Fe/Co lên đặc trưng tính chất của vật liệu Fe-Co
Đã có khá nhiều cơng bố về việc tổng hợp vật liệu nano Fe-Co bằng phương pháp nghiền cơ đi từ các bột nguyên tố thành phần [47, 49, 110, 111]. Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng tỉ phần Fe/Co cùng với các điều kiện thực nghiệm ảnh hưởng mạnh tới các đặc trưng tính chất từ của hợp kim Fe-Co. Khi lượng Co thay thế cho Fe lớn (trên 80%), từ độ bão hịa MS suy giảm mạnh, trong khi đó lực kháng từ HC lại tăng. Giá trị từ độ bão hòa của hợp kim Fe-Co đạt giá trị tối đa ~230 emu/g tìm thấy trong nhiều cơng bố tương ứng với hàm lượng Co xung quanh khoảng 30-35% [47,49].
Trong luận án này, chúng tôi tiến hành khảo ảnh hưởng của tỉ phần Fe/Co lên đặc trưng tính chất của hệ vật liệu Fe100-xCox (x = 0, 25, 35, 40, 50 và 75, tương ứng với mẫu Fe-10h, FC25-10h, …..) bằng phương pháp nghiền cơ năng lượng cao sử dụng máy nghiền hành tinh PULVERISETTE 6. Các thông số nghiền được lựa chọn dựa trên kết quả khảo sát tối ưu công nghệ trên thiết bị nghiền mà chúng tôi đã khảo sát trong phần 3.1 với tốc độ nghiền 450 vòng/phút, tỉ lệ bi/bột 15/1, thời gian nghiền 10 giờ. vt ( ) đđ FC75-10h FC50-10h FC40-10h độ C ư ờn g FC35-10h FC25-10h Fe 10h 40 50 60 70 80 Góc 2 (độ)
Hình 3.4. Phổ nhiễu xạ tia X của vật liệu Fe100-xCox với tỷ phần tương ứng
tại thời gian nghiền 10 giờ.
Kết quả chụp nhiễu xạ tia X trên hình 3.4 cho thấy, sau 10 giờ nghiền, ở tất cả các hợp phần, khơng cịn tồn tại các vạch hcp-Co của bột Co. Các sản phẩm bột hợp kim thu được sau nghiền có cấu trúc tinh thể bcc-Fe với các đỉnh nhiễu xạ đặc trưng
tại góc 2θ tương ứng là 44, 65 và 83o. Có thể nói rằng, các mẫu với tỉ phần Fe/Co khác nhau đều đã được hợp kim hóa hồn tồn sau thời gian nghiền 10 giờ. Ngồi ra, khơng thấy sự xuất hiện của pha ơ xít. Khi tỉ phần Fe/Co giảm, quan sát thấy vị trí góc 2θ của các đỉnh nhiễu xạ dịch về phía góc cao, trong khi đó độ rộng của các đỉnh nhiễu xạ của pha Fe-Co có xu thế tăng. Để đánh giá chính xác hơn ảnh hưởng của tỉ phần Fe/Co lên thơng số mạng và kích thước tinh thể của vật liệu, kích thước tinh thể trung bình, hằng số mạng, được xác định bằng phương pháp Rietveld trên phần mềm X’Pert HighScore Plus. Các kết quả được thể hiện chi tiết trong bảng 3.2.
Bảng 3.2. Thơng số mạng, kích thước tính thể trung bình của các mẫu hợp kim Fe-Co
có tỉ phần Fe/Co khác nhau.
Mẫu Tỉ phần Fe/Co Cấu trúc DXRD (nm) a (nm)
Fe-10h 100 bcc-Fe 14 2,869 FC25-10h 75/25 bcc-Fe 16 2,868 FC35-10h 65/35 bcc-Fe 13 2,863 FC40-10h 60/40 bcc-Fe 12 2,861 FC50-10h 50/50 bcc-Fe 12 2,854 FC75-10h 25/75 bcc-Fe 11 2,839
Từ bảng kết quả cho thấy giá trị hằng số mạng giảm dần khi hàm lượng của nguyên tố sắt Fe giảm, từ 2,869 đến 2,839 nm. Điều này chứng tỏ các nguyên tử Co với bán kính ion là 0,152 nm đã thay thế một phần cho các nguyên tử Fe với bán kính ion là 0,156 nm trong pha tinh thể bcc-Fe. Cũng giống như hằng số mạng, khi tỉ phần Fe/Co giảm, hay hàm lượng Fe giảm, kích thước tinh thể trung bình của pha Fe-Co giảm, từ 16 nm xuống đến 11 nm, trừ mẫu 100% hàm lượng Fe có kích thước tinh thể trung bình cỡ ~14 nm. Kích thước tinh thể trung bình giảm theo tỉ phần Co tăng có thể là do Co có tính cứng hơn sắt, và việc thêm Co đã làm tăng khả năng tạo dung dịch rắn Fe-Co, vì thế dễ hình thành và tạo ra các hạt tinh thể mịn hơn.
Để khảo sát tính chất từ của các mẫu hợp kim Fe100-xCox (x = 0, 25, 35, 40, 50 và 75) với tỉ phần Fe/Co khác nhau thu được sau khi nghiền cơ năng lượng cao, chúng tôi tiến hành đo đường cong từ trễ M(H). Hình 3.5 là kết quả đo đường cong
từ trễ của các mẫu bột hợp kim Fe-Co này sau khi nghiền ở cùng một thời gian 10 giờ với các chế độ nghiền giống nhau.
Từ ừ đ ộ ( e m u / g ) 200 150 100 50 0 -50 -100 -150 -200 Fe-10h FC25-10h FC35-10h FC40-10h FC50-10h FC75-10h -10k -8k -6k -4k -2k 0 2k 4k 6k 8k 10k Từ trường (Oe)
Hình 3.5. Đường cong từ trễ của vật liệu Fe100-xCox với tỷ phần Fe/Co khác nhau. Có thể quan sát thấy, tất cả các đường cong từ trễ có dáng diệu trơn tru giống nhau với giá trị HC trong khoảng từ 50-85 Oe, biểu hiện đường từ trễ của một vật liệu sắt từ mềm. Theo tỉ phần pha Fe giảm từ 100% đến 65%, từ độ MS của các mẫu hợp kim Fe-Co tăng dần từ 194 đến 205 emu/g, sau đó giảm khi nồng độ Fe giảm và giảm mạnh xuống đến 180 emu/g khi nồng độ Fe cịn 25% (hình 3.6 và bảng 3.3). Trong khi đó, lực kháng từ HC của các mẫu tăng đều khi nồng độ pha Fe giảm (bảng 3.3). Độ từ hóa bão hịa lớn nhất thu được là 205 emu/g đối với các mẫu hạt nano có kích thước trung bình là 13 nm của hợp phần Fe65Co35 (FC35) và lực kháng từ nhỏ nhất là 49 Oe đối với mẫu hạt nano có kích thước trung bình là 11 nm của hợp phần Fe25Co75
(FC75). Với tỷ phần Fe70Co30 tương đương, các giá trị MS thu được trong [47] là 230 emu/g với thiết bị nghiền Simoloyer, [49] là 225 emu/g với máy nghiền hành tinh RETSCH, [117] là 220 emu/g với máy nghiền Spex và giá trị HC tương ứng từ 10-60 Oe. Quy luật phụ thuộc độ từ hóa bão hịa và lực kháng từ vào tỉ lệ thành phần Fe/Co trong các mẫu hợp kim Fe100-xCox (x = 0, 25, 35, 40, 50 và 75) chế tạo bằng phương pháp nghiền cơ năng lượng cao trong nghiên cứu của luận án tương đối phù hợp với các công bố [47, 49, 110, 111]. Giá trị MS thu được trong các nghiên cứu của chúng tôi thấp hơn so với một số nghiên cứu đã cơng bố (từ 6~11%) có thể là do q trình nghiền chúng tôi sử dụng môi trường nghiền đơn giản là khơng khí. Ảnh hưởng của mơi trường nghiền lên tính chất từ của các hợp phần hợp kim Fe-Co sẽ được chúng tơi trình bày kỹ hơn ở phần sau.
(emu/g) s M 205 200 195 190 185 180 0 20 40 60 80 Tỉ phần pha Co (%)
Hình 3.6. Từ độ bão hòa MS phụ thuộc vào tỉ phần Fe/Co của các mẫu hợp kim nano
Fe100-xCox (x = 0, 25, 35, 40, 50 và 75) chế tạo bằng phương pháp nghiền cơ năng lượng cao.
Bảng 3.3. Giá trị từ độ bão hòa của vật liệu nano Fe100-xCox nghiền trong 10 giờ với tỷ phần Fe/Co khác nhau tại 11k Oe.
Mẫu Fe-10h FC25-10h FC35-10h FC40-10h FC50-10h FC75-10h
MS (emu/g) 194 196 205 202 200 180
HC (Oe) 67 74 74 71 85 49
Như vậy, có thể thấy, với các điều kiện cơng nghệ tối ưu, trên hệ thiết bị nghiền hành tinh PULVERISETTE 6, vật liệu nano từ tính Fe-Co với kích thước tinh thể trung bình trong khoảng 11-16 nm đã được tổng hợp từ các nguyên tố thành phần Fe và Co. Giá trị MS cao nhất nhận được trong nghiên cứu này ứng với hợp kim có thành phần Fe65Co35. Khi lượng thay thế Co cho Fe còn thấp (< 40%), từ độ bão hòa của hợp kim Fe-Co tăng. Khi lượng Co thay thế cho sắt quá lớn (> 70%), MS, HC suy giảm mạnh, điều này có thể lý giải bởi trạng thái q bão hịa của hợp kim FeCo, pha Co dư có MS, HC thấp hơn, từ đó sẽ làm giảm tính chất từ tổng cộng của tồn hệ. Với mục tiêu tìm được các vật liệu từ mềm tốt có từ độ bão hịa cao và lực kháng từ nhỏ, từ các kết quả nghiên cứu trình bày ở trên, chúng tơi tập trung nghiên cứu vào vùng thành phần có tỉ phần nguyên tố Fe trong khoảng 50-65 % (tương ứng với Co trong khoảng 50-35%). Vùng thành phần này ứng với giá trị từ độ bão hòa MS cao nhất trong khoảng 200-205 emu/g, ứng với các hợp phần Fe50Co50, Fe60Co40 và Fe65Co35.
Ngoài các hợp phần này, để đảm bảo có bức tranh tổng thể, chúng tôi chọn thêm mẫu 100% Fe để làm mẫu nghiên cứu. Mẫu kim loại Fe này thực tế sau khi nghiền có từ độ bão hịa khơng q thấp ~194 emu/g, và là mẫu để so sánh ảnh hưởng của Co khi thay thế cho Fe trong hợp kim Fe-Co. Các đặc trưng tính chất cấu trúc tinh thể, hình thái học, tính chất từ phụ thuộc vào thời gian nghiền và nhiệt độ ủ của các mẫu có thành phần Fe50Co50, Fe65Co35 và Fe chế tạo bằng phương pháp nghiền cơ năng lượng cao sẽ được trình bày chi tiết ở các phần sau.