Băng nguội nhanh Nd-Fe-B, sau khi được xử lý nhiệt và khảo sỏt tớnh chất cú cỏc thụng số từ như mong muốn, được nghiền nhỏ đem rõy để cú kớch thước khoảng 100 àm. Sau đú được tẩm chất kết dớnh hữu cơ với tỉ lệ trộn keo và bột là 0,25 ml/1g bột, trộn đều liờn tục cho dung mụi bay hơi. Cuối cựng bột sắt từ đó tẩm chất kết dớnh được cho vào khuụn và đưa vào mỏy ộp thuỷ lực (cú thể ộp đến 15 tấn/cm2. Mỗi mẫu đem trộn keo được cõn 5g, chất kết dớnh dựng trong luận ỏn này là loại HTB-1 được chế tạo tại Phũng Cụng nghệ và Ứng dụng vật liệu, Viện Khoa học Vật liệu, mỏy ộp thuỷ lực đặt tại Phũng Vật liệu kim loại quớ hiếm). Hỡnh 2.9 là cỏc thiết bị dựng để ộp nam chõm kết dớnh.
Hỡnh 2.9. Cỏc thiết bị dựng để ộp nam chõm kết dớnh a) khuụn ộp, (b) lũ gia nhiệt, (c) mỏy ộp thủy lực.
Phương phỏp ộp:
ẫp thường (ộp nguội):
Cho bột vào khuụn, tăng dần lực ộp đến 15 tấn, duy trỡ lực ộp khoảng 5 phỳt, triệt tiờu lực ộp dỡ khuụn lấy mẫu, được viờn nam chõm.
độ cần thiết để làm rắn hoỏ chất kết dớnh.
ẫp nhiệt (ộp núng):
Cấu tạo của lũ gia nhiệt gồm cỏc bộ phận chủ yếu sau: vỏ lũ làm bằng thộp inox phi từ. Thõn lũ làm bằng gốm chịu lửa cỏch điện, cỏch nhiệt cú lừi rỗng hỡnh trụ đứng cao 7,0 cm, đường kớnh đỏy 4,5 cm để chứa khuụn ộp. Hệ thống dõy đốt là dõy điện trở được quấn lũ so chạy trong cỏc ống hỡnh trụ đường kớnh 1 cm phõn bố đều xung quanh lừi lũ.
Hỡnh 2.10. Đồ thị biểu diễn tốc độ gia nhiệt cho mỏy ộp viờn.
Đặc điểm kỹ thuật: điện ỏp cấp cho lũ là dũng xoay chiều 220V-50Hz. Tốc độ gia nhiệt của lũ lỳc đầu đạt khoảng 50oC/phỳt, đến 260oC giảm cũn 20ữ25oC/phỳt. Nhiệt độ lũ nung được điều chỉnh bởi thời gian cấp điện. Với cấu tạo như vậy, nhiệt độ của lũ nung cú thể đạt đến 700oC.
Cỏch ộp mẫu: cho bột vào khuụn, đặt khuụn vào lũ gia nhiệt. Cỏc mẫu nam chõm trong luận ỏn được ộp gia nhiệt ở nhiệt độ 300oC do đú chế độ gia nhiệt của lũ trong quỏ trỡnh ộp mẫu được khảo sỏt và thực hiện theo đồ thị trờn hỡnh 2.10. Thời gian cấp điện cho lũ từ 7 đến 8 phỳt, nhiệt độ tại tõm của lũ nơi đặt mẫu nằm trong khoảng 270-275oC. Do tốc độ gia nhiệt của lũ khoảng 20-25oC/phỳt nờn nhiệt độ của hệ tiếp tục gia tăng đến khoảng 300-310oC trong vũng hai phỳt tiếp theo. Đõy là thời gian ộp mẫu dưới ỏp suất khỏc nhau (từ 2-15 tấn/cm2). Duy trỡ ỏp lực lờn mẫu trong thời gian 15 phỳt sao cho nhiệt độ của mẫu trong lũ giảm xuống dưới nhiệt độ núng chảy của chất kết dớnh (150oC) thỡ xả ỏp và chờ cho mẫu nguội tự nhiờn thỡ lấy mẫu ra. Thời gian tổng cộng cho toàn bộ quy trỡnh ộp mẫu khoảng 50-60 phỳt.
2.2.1. Phương phỏp nhiễu xạ tia X
Trong luận ỏn này chỳng tụi phõn tớch cỏc mẫu bằng nhiễu xạ bột (Powder X-ray diffraction). Do hợp phần vật liệu chứa đất hiếm nờn để trỏnh sự oxi húa chỳng tụi đó tiến hành nghiền mẫu trong cồn hoặc xăng. Mẫu sau khi nghiền cú kớch thước hạt khoảng vài chục àm và cỏc mặt phẳng tinh thể được định hướng ngẫu nhiờn. Thiết bị thực hiện phộp đo chỳng tụi dựng là Siemens D5000 (hỡnh 2.11), đặt tại Phũng phõn tớch cấu trỳc tia X thuộc Viện Khoa học Vật liệu, Viện Khoa học và Cụng nghệ Việt Nam. Phổ nhiễu xạ của mỗi mẫu sẽ thể hiện cỏc đặc trưng cơ bản về cấu trỳc của mẫu đú. Qua phổ nhiễu xạ tia X ta cú thể xỏc định được cỏc đặc trưng cấu trỳc của mạng tinh thể như: kiểu mạng, thành phần pha tinh thể, độ kết tinh và cỏc hằng số mạng. Từ phổ XRD cũng cú thể đỏnh giỏ được độ VĐH và tỉ phần pha tinh thể của cỏc mẫu với độ chớnh xỏc cỡ 1%.
Hỡnh 2.11. Thiết bị Siemen D5000.
2.2.2. Phương phỏp hiển vi điện tử
Để khảo sỏt vi cấu trỳc của vật liệu ngoài phương phỏp nhiễu xạ tia X một số mẫu chỳng tụi sử dụng cả phương phỏp hiển vi điện tử, đõy là kỹ thuật rất hiện đại để kết luận mẫu là VĐH thực sự hay gồm vi tinh thể rất nhỏ trờn nền pha VĐH, cũng như xỏc định cỡ hạt, thành phần pha vi tinh thể.
Cơ sở vật lý của kớnh hiển vi điện tử là chiếu lờn mẫu (đối tượng nghiờn cứu) một chựm điện tử năng lượng cao, gọi là điện tử sơ cấp, ghi nhận và phõn tớch cỏc tớn hiệu được phỏt ra do tương tỏc của điện tử sơ cấp với cỏc nguyờn tử của mẫu, gọi là tớn hiệu thứ cấp, để thu thập cỏc thụng tin về mẫu.
Tựy thuộc vào loại tớn hiệu thứ cấp nào được sử dụng mà ta cú cỏc phương phỏp cụ thể. Theo cỏch sử dụng cỏc tớn hiệu thứ cấp núi trờn, kớnh hiển vi điện tử cú thể phõn thành hai loại cơ bản sau:
Kớnh hiển vi điện tử quột (Scanning Electron Microscope - SEM): Kết quả đo cho thụng tin về bề mặt mẫu (dạng, kớch thước, sự sắp xếp của cỏc hạt).
Kớnh hiển vi điện tử truyền qua (Transmission Electron Microscopy - TEM): cho ta biết thụng tin về cấu trỳc bờn trong mẫu.
+ Kớnh hiển vi điện tử quột (SEM)
Hỡnh 2.12. Kớnh hiển vi điện tử quột HITACHI S-4800.
Kớnh hiển vi điện tử quột (SEM) là thiết bị dựng để chụp ảnh vi cấu trỳc bề mặt với độ phúng đại gấp nhiều lần so với kớnh hiển vi quang học, vỡ bước súng của chựm tia điện tử rất nhỏ so với bước súng ỏnh sỏng của vựng khả kiến. Kớnh hiển vi điện tử cú thể tạo ra ảnh với độ phõn giải cao của bề mặt mẫu vật bằng cỏch sử dụng một chựm điện tử (chựm cỏc electron) hẹp quột trờn bề mặt mẫu. Việc tạo ảnh của mẫu vật được thực hiện thụng qua việc ghi nhận và phõn tớch cỏc bức xạ phỏt ra từ tương tỏc của chựm điện tử với bề mặt mẫu vật. Cỏc phộp đo và phõn tớch SEM trong luận ỏn được thực hiện trờn thiết bị kớnh hiển vi điện tử quột HITACHI S-4800 đặt tại phũng phõn tớch cấu trỳc
thuộc Viện Khoa học Vật liệu, Viện Khoa học và Cụng nghệ Việt Nam. Độ phúng đại cao nhất cú thể đạt đến 800.000 lần, độ phõn giải cú thể đạt đến 2 nm ở thế hiệu 1 kV (hỡnh 2.12).
+ Kớnh hi n vi i n t truy n qua (TEM)ể đ ệ ử ề
Kớnh hi n vi i n t truy n quaể đ ệ ử ề (TEM) l m t thi t b nghiờn c u vi c uà ộ ế ị ứ ấ
trỳc v t r n, s d ng chựmậ ắ ử ụ đ ệ ửi n t cú n ng lă ượng cao chi u xuyờn qua m u v tế ẫ ậ
r n m ng v s d ng cỏcắ ỏ à ử ụ th u kớnh tấ ừđể ạ ả t o nh v i ớ độ phúng đạ ới l n (cú thể
t i h ng tri u l n), nh cú th t o ra trờn m n hu nh quang, hay trờn filmớ à ệ ầ ả ể ạ à ỳ quang h cọ , hay ghi nh n b ng cỏc mỏy ch p k thu t s .ậ ằ ụ ỹ ậ ố
Hỡnh 2.13. Kớnh hi n vi i n t truy n qua Philip CM20-FEG (gia t c 200kV;ể đ ệ ử ề ố Cs = 1,2) T i Vi n V t lý, TU-Chemnitz, CHLB ạ ệ ậ Đức.
Chế độ ghi ảnh của cỏc TEM gồm ảnh trường sỏng, trường tối, ảnh hiển vi điện tử truyền qua độ phõn giải cao và ảnh nhiễu xạ điện tử lựa chọn vựng. Ảnh thu được qua cỏc tia truyền thẳng gọi là ảnh trường sỏng, ảnh thu được qua cỏc tia bị tỏn xạ gọi là ảnh trường tối. Trờn hai ảnh này chỳng ta sẽ thấy độ tương phản ngược nhau. Trong chế độ này ảnh vi cấu trỳc của mẫu hiện lờn giống như kớnh hiển vi quang học bỡnh thường nhưng độ phõn giải cao hơn nhiều, chỳng cho ta phõn biệt được kớch thước hạt, sự phõn bố của chỳng.
Ảnh hiển vi điện tử truyền qua độ phõn giải cao (HRTEM- High Resolution Transmission Electron Microscopy) là ảnh cho phộp quan sỏt vi cấu trỳc của vật rắn với độ phõn giải rất cao, đủ quan sỏt được sự tương phản của cỏc lớp nguyờn tử trong vật rắn cú cấu trỳc tinh thể. Ngày nay, HRTEM là một trong những cụng cụ mạnh để quan sỏt vi cấu trỳc tới cấp độ nguyờn tử.
Nhiễu xạ điện tử lựa chọn vựng (Selected Area Diffraction - SAED). Là một phương phỏp nhiễu xạ sử dụng trong kớnh hiển vi điện tử truyền qua, sử dụng một chựm điện tử song song chiếu qua một vựng chất rắn được lựa chọn. Phổ nhiễu xạ sẽ là tập hợp cỏc điểm sỏng phõn bố trờn cỏc vũng trũn đồng tõm quanh tõm là võn nhiễu xạ bậc 0 tạo trờn mặt phẳng tiờu của vật kớnh. Chế độ nhiễu xạ điện tử vựng lựa chọn cho chỳng ta nhiều thụng tin chi tiết rất rừ ràng về vi cấu trỳc, cấu trỳc tinh thể, loại pha, đơn tinh hay đa tinh thể.
Một số kết quả nghiờn cứu chỳng tụi sử dụng kớnh hiển vi điện tử truyền qua của hóng PHILIP loại CM 20. Điện thế gia tốc đạt đến 200 kV, độ phõn giải 0,14 nm. Thiết bị này đặt tại Phũng phõn tớch bề mặt chất rắn, Viện Vật lý, Trường Đại học Kỹ thuật Tổng hợp Chemnitz, CHLB Đức. Cỏc ảnh được ghi trong cỏc chế độ: hiển vi cổ điển, hiển vi độ phõn giải cao và nhiễu xạ điện tử vựng chọn lọc (hỡnh 2.13).
2.3. Cỏc phộp đo nghiờn cứu tớnh chất từ2.3.1. Phộp đo từ nhiệt trờn hệ từ kế mẫu rung 2.3.1. Phộp đo từ nhiệt trờn hệ từ kế mẫu rung
Để đỏnh giỏ sự phụ thuộc của từ độ vào nhiệt độ chỳng tụi sử dụng hệ đo từ kế mẫu rung (Vibrating Sample Magnetometer - VSM).
Nguyờn 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 chõm điện gõy ra. Mụmen từ của mẫu được xỏc định dựa vào suất điện động cảm ứng sinh ra do sự dịch chuyển tương đối giữa mẫu và cuộn dõy, cụ thể trong trường hợp này là mẫu rung cũn cuộn dõy đứng yờn. Khi mẫu rung, tức là cú sự biến thiờn từ thụng qua cuộn dõy sẽ làm xuất hiện suất điện động cảm ứng cú giỏ trị hiệu dụng là:
E ~ NSm M (2.2) trong đú N là số vũng dõy, Sm là tiết diện vũng dõy và M là mụmen từ của mẫu.
Độ lớn của suất điện động phụ thuộc vào mụmen từ, tần số rung của mẫu và cấu hỡnh của cuộn dõy. Cỏc tớn hiệu thu được sẽ được khuếch đại, chuyển đổi, số húa và cuối cựng hiển thị trờn mỏy vi tớnh.
Trong luận ỏn này chỳng tụi dựng hệ đo VSM đặt tại Viện Khoa học Vật liệu, Viện Khoa học và Cụng nghệ Việt Nam (hỡnh 2.14). Hệ đo hoạt động trong khoảng từ trường từ -13 đến 13 kOe. Nhiệt độ của mẫu cú thể thay đổi trong khoảng từ 77 K đến 1100 K. Độ nhậy và cỏc sai số về từ
Hỡnh 2.14. Ảnh hệ đo VSM.
2.3.2. Phộp đo từ trễ trờn hệ từ trường xung
Phộp đo từ trễ của tất cả cỏc mẫu trong luận ỏn đều được đo trờn hệ từ trường xung. Từ cỏc đường từ trễ này cú thể xỏc định được cỏc đại lượng đặc trưng quan trọng như: Hc, Ms, Mr và (BH)max. Nguyờn lý hoạt động của hệ đo này như sau:
Hệ được thiết kế theo nguyờn tắc nạp - phúng điện qua bộ tụ điện và cuộn dõy (hỡnh 2.15). Dũng một chiều qua K1, nạp điện cho tụ làm cho tụ tớch năng lượng cỡ vài chục kJ. Khi khoỏ K2 đúng thỡ dũng điện tồn tại trong thời gian ngắn đó phúng điện qua cuộn dõy nam chõm L và tạo trong lũng ống dõy một từ trường xung cao. Mẫu đo được đặt tại tõm của cuộn nam chõm cựng với hệ cuộn dõy cảm biến pick - up. Tớn hiệu ở lối ra tỷ lệ với vi phõn từ độ và vi phõn từ trường sẽ được thu thập, xử lớ hoặc lưu trữ cho cỏc mục đớch cụ thể. Từ trường trong lũng ống dõy cú thể được sử dụng để nạp từ cho cỏc mẫu vật liệu khi chỉ dựng một nửa chu kỡ hỡnh sin của dũng điện phúng.
Hỡnh 2.15. Sơ đồ nguyờn lý hệ đo từ trường xung [10].
Để trỏnh được hiệu ứng trường khử từ, cỏc mẫu băng được đặt sao cho từ trường ngoài song song và dọc theo chiều dài của băng, cỏc mẫu khối đều được cắt theo dạng hỡnh trụ. Cỏc mẫu đo được gắn chặt vào bỡnh mẫu để trỏnh sự dao động của mẫu trong quỏ trỡnh đo.
Trong quỏ trỡnh làm thực nghiệm chỳng tụi đó sử dụng hệ đo từ trường xung đặt tại Viện khoa học Vật liệu, Viện Khoa học và Cụng nghệ Việt Nam (hỡnh 2.16). Từ trường cực đại mà hệ đo này đạt được cỡ 90 kOe.
Hỡnh 2.16. Hệ đo từ trường xung.
Cỏc giỏ trị Hc và Ms cú thể được xỏc định trực tiếp từ đường từ trễ trong phộp đo trờn hệ từ trường xung, riờng giỏ trị tớch năng lượng cực đại (BH) phải được chuyển đổi đơn vị và tớnh toỏn
như sẽ trỡnh bày dưới đõy. -150 -100 -50 0 50 100 150 -4 -2 0 2 4 6 M ( e m u /g ) H (T) a) -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 -30 -20 -10 0 10 20 30 M ( H) B (H) 4 π M , B ( k G ) H (kOe) b)
Hỡnh 2.17. Đường M(H) thu được từ hệ đo (a) và đường M(H) và B(H) đó được xử lý và chuyển đổi đơn vị (b).
Kết quả của phộp đo từ trễ là cỏc đường Mm(H) với H là từ trường ngoài cú đơn vị đo là Tesla (T) và Mm là từ độ khối lượng cú đơn vị đo là emu/g (hỡnh 2.17a). Cỏc số liệu này được xử lý để đưa về dạng 4πM(H) và B(H) (hỡnh 2.17b) bằng cỏch sử dụng cỏc cụng thức chuyển đổi đơn vị như sau:
- Chuyển từ độ theo khối lượng M
m (emu/g) sang từ độ theo thể tớch Mv (emu/cm 3
):
M
V = ρM
m (2.4)
ρ là khối lượng riờng của vật liệu.
- Chuyển từ trường ngoài sang trường hiệu dụng H
eff đơn vị là Oe cú tớnh đến hiệu ứng trường khử từ (phụ thuộc vào hỡnh dạng và kớch thước mẫu đo):
H
eff = Hext - 4πM
v.D (2.5) H
ext là từ trường ngoài cú đơn vị Oe, D là hệ số trường khử từ. - Cảm ứng từ B cú đơn vị là Gauss:
B = 4πM
v + Heff (2.6) - Tớch năng lượng:
(BH) = H
eff . B (đơn vị: GOe) (2.7)
Hỡnh 2.18. Sự phụ thuộc của hệ số khử từ D vào tỷ số L/d của mẫu hỡnh trụ [10].
Hỡnh 2.19. Đường cong từ trễ của nam chõm Nd- Fe-B chưa bổ chớnh (đường liền nột) và đó bổ chớnh (đường đứt nột) ứng với mẫu hỡnh trụ [10].
0 2 4 6 8 10 12 -28 -24 -20 -16 -12 -8 -4 0 M B BH 4 π M , B ( k G ) H (kOe ) (BH)max D = 0 0 2 4 6 8 10 12 -28 -24 -20 -16 -12 -8 -4 0 M H BH 4 π M , B ( k G ) H (kOe) D = 0.2 0 2 4 6 8 10 12 -28 -24 -20 -16 -12 -8 -4 0 M B BH 4 π M , B ( k G ) H (kOe) D = 0.3 0 2 4 6 8 10 12 -28 -24 -20 -16 -12 -8 -4 0 M B BH 4 π M , B ( k G ) H (kOe) D = 0.4
Hỡnh 2.20. Cỏc đường đặc trưng từ của vật liệu với cỏc hệ số khử từ D khỏc nhau.
Khi sử dụng hệ đo từ trường xung để đo đường cong từ trễ của cỏc vật liệu từ cứng cần phải xỏc định hệ số khử từ do hệ đo với mạch từ hở. Hệ số khử từ D phụ thuộc vào hỡnh dạnh mẫu. Hỡnh 2.18 là sự phụ thuộc của hệ số khử từ D vào tỷ số L/d cho cỏc mẫu hỡnh trụ, khi sử dụng nguồn từ trường tĩnh là cuộn dõy nam chõm được làm lạnh bằng nước cú năng lượng cao với từ trường tới 15 T. Hỡnh 2.19 là một vớ dụ về đường cong từ trễ đó bổ chớnh ứng với mẫu hỡnh trụ cú tỷ số L/d bằng 0,4. Hỡnh 2.20. Cỏc đường đặc trưng của vật liệu với cỏc hệ số khử từ khỏc nhau