Chế tạo vật liệu từ cứng nanocomposite Mn - Ga - Al / Fe - Co

988, vật liệu có (𝐵𝐻)𝑚𝑎𝑥 cỡ 12,4 MGOe đã được tìm ra bởi Coehoom và các cộng sự ở phòng thí nghiệm Philip Research (tại Hà Lan). Vật liệu từ này bao gồm pha từ cứng 𝑁𝑑2𝐹𝑒14𝐵 (chiếm 15% thể tích) và 2 pha từ mềm 𝐹𝑒3𝐵 (chiếm 73% thể tích), 𝛼 − 𝐹𝑒 (chiếm 12% thể tích). VLTC loại này được gọi là vật liệu nanocomposite. Vật liệu này do nó chứa ít đất hiếm và cách chế tạo đơn giản mặc dù nó có (𝐵𝐻)𝑚𝑎𝑥 thấp nhưng vẫn được sử dụng rộng rãi với giá thành rẻ. Những năm gần đây, do khủng hoảng về đất hiếm nên các nhà khoa học tập trung nghiên cứu chế tạo vật liệu từ cứng chứa ít hoặc không chứa đất hiếm nhằm giảm giá thành và đáp ứng ứng dụng của nam châm. 7 Các hệ VLTC không chứa đất hiếm thì hệ Mn-Ga hiện đang được nghiên cứu tích cực bởi hệ đó có lực kháng từ cao cỡ 20KOe với giá thành rẻ. 1.2. Mô hình Kneller - Hawig Năm 1991, để giải thích đặc tính và các tương tác từ của nam châm đàn hồi Kneller – Hawig đã dựa trên mô hình tương tác trao đổi giữa các hạt sắt từ có kích thước nhỏ cỡ nanomet đã đứa ra mô hình lý thuyết một chiều về nam châm đàn hồi hai pha có cấu trúc nanomet. Với một vật liệu từ cho trước, (𝐵𝐻)𝑚𝑎𝑥 được xác định bởi: (BH)max  Js 2 /40 (1.1) Trong đó Js = 0Ms là độ phân cực từ độ bão hòa. Từ (1.1) ta thấy rằng (𝐵𝐻)𝑚𝑎𝑥 chỉ phụ thuộc vào Js. Nhưng trên thực tế (𝐵𝐻)𝑚𝑎𝑥 còn phụ thuộc cả vào cảm ứng từ dư 𝐵𝑟 (để đạt giới hạn (1.1) 𝐵𝑟 ≈ 𝐽𝑠). Trường tới hạn cho sự đảo chiều từ độ bất thuận nghịch cao HN ≥ Js/20 = Ms/2 (đây còn được gọi là trường tạo hầm đảo từ). Khi vật liệu có hệ số dị hướng từ tinh thể K lớn (K >> Js 2 /40) thì giới giạn (1.1) có thể đạt được. Nhưng trong thực tế giới hạn lí thuyết này khó có thể đạt được. Các tính chất từ của vật liệu được đánh giá bởi tỉ số:  = K/ (Js 2 /40). Nếu  >>1,tức là Hc và (BH)max lớn. Tính chất từ của vật liệu này do dị hướng từ tinh thể K quyết định. Vật liệu này được gọi là vật liệu từ cứng (vật liệu k). Nếu  <<1,tức là năng lượng từ tĩnh đóng vai trò chủ yếu. Vật liệu này được gọi là vật liệu từ mềm (vật liệu m). Hầu hết các vật liệu từ cứng có Js thấp hơn nhiều vật liệu từ mềm nhưng nó lại có lực kháng từ 𝐻𝑐 có thể lớn hơn nhiều giá trị Ms/2 hơn nữa nó có thể đạt được giới hạn (1.1). Từ đó ta có thể thấy muốn chế tạo nam châm có tích năng lượng (BH)max lớn và lực kháng từ 𝐻𝑐 cao thì vật liệu đó chứa đựng cả hai pha từ cứng và từ mềm, tức là vật liệu đó chứ đụng cả tính kháng từ cao 8 của vật liệu từ cứng và tính từ dư cao của vật liệu từ mềm. Để đáp ứng được điều đó các vấn đề đặt ra là kích thước các hạt, tỷ phần của các hợp kim để tạo ra hai pha đó phải tối ưu và phải lựa chọn công nghệ nào cho phù hợp. Để giải quyết vấn đề này Kneller và Hawig đã đưa ra mô hình một chiều để trình bày các nguyên lý cơ bản của sự tương tác trao đổi giữa pha từ cứng và pha từ mềm. Hình 1.2. Mẫu vi cấu trúc một chiều và cấu trúc vi từ của vật liệu composite tương tác trao đổi được sử dụng làm cơ sở để tính kích thước tới hạn của vùng pha H.1.2. M« h×nh Kneller - Hawig gi¶m 9 (a) độ từ hóa đạt bão hòa. (b)-(c) Sự khử từ khi tăng từ trường nghịch đảo H trong trường hợp bm >> bcm. (d) Sự khử từ trong trường hợp giảm bm đến kích thước tới hạn bcm . Theo mô hình này, vật liệu composite bao gồm một chuỗi các pha k và pha m xen kẽ nhau, nằm dọc theo trục x với độ rộng mỗi vùng tương ứng là 2bk và 2bm. Giả thiết dị hướng từ tinh thể là dị hướng đơn trục trong cả hai pha k và pha m, trục dễ song song với trục z và vuông góc với trục x. Tương tác trao đổi sắt từ của pha k và pha m được thực hiện của các mômen từ thông qua biên pha của hai pha. Một cách gần đúng có thể xem năng lượng trong vách miền chỉ bao gồm năng lượng dị hướng và năng lượng trao đổi, từ đó năng lượng của mỗi đơn vị diện tích trên vách 180o xác định bởi:  = K + A(/)2 (1.2) Với  là độ dày vách K là hằng số dị hướng từ tinh thể A là hằng số trao đổi. Ở điều kiện cân bằng, () có giá trị cực tiểu, tức là d/d = 0. Từ điều kiện này, độ dày vách miền và năng lượng trên một đơn vị diện tích vách miền ở trạng thái cân bằng 0 và o được xác định bởi: 0 = (A/K) 1/2 (1.3) o = 2(AK) 1/2 (1.4) Để xác định kích thước tới hạn pha từ mềm được xác định như là độ dài tương tác trao đổi toàn phần của pha m, tức là m = bcm. Ta giả thiết rằng kích thước tới hạn của pha từ cứng có giá trị cỡ bk = 0k = (Ak/Kk) 1/2 với chú ý rằng do Kk khá lớn nên bk khá nhỏ. Nếu hệ ban đầu từ độ trong pha mềm không đổi bắt đầu đảo từ từ trạng thái bão hòa (hình 1.2a), khi trường ngoài H đảo chiều và tăng dần thì sự đảo từ bắt đầu xảy ra từ giữa pha mềm. 10 Đầu tiên ta xét trường hợp bm không đổi và lớn xấp xỉ độ dày vách miền cân bằng, bm  0m = (Am/Km) 1/2 >> 0k  bk vì Kk >> Km . Khi quá trình đảo từ xảy ra, trong pha mềm sẽ hình thành hai vách miền kiểu xoay (vách 180 o ) (hình 1.2b). Khi H tiếp tục tăng (hình 1.2c), các vách này bị đẩy về phía biên pha k, mật độ năng lượng trong các vách này tăng vượt giá trị cân bằng của nó Em = m/m > E0m = 0m/. Khi đó, do Kk >> Km, từ độ bão hòa Msk trong pha k có thể xem như không đổi. Quá trình này diễn ra cho tới khi Em đạt đến mật độ năng lượng cân bằng E0k của vách pha k : Em = m/m  E0k = 0k/0k = 2Kk (1.5) Lúc này, vách miền sẽ bắt đầu xâm chiếm vào pha k dẫn đến sự đảo từ không thuận nghịch trong cả hai vùng pha m và pha k. Trường tới hạn tương ứng HNo thấp hơn trường dị hướng của pha k (HNo< HAk = 2Kk / Msk). Trong trường hợp này trường kháng từ HcM, được định nghĩa bởi M(HcM)= 0, nhỏ hơn nhiều so với trường tới hạn HNo do Msm > Msk và cũng do ta đã giả sử rằng bm > bk. Vậy đường cong khử từ giữa Mr (H= 0) và M(HcM) = 0 là hoàn toàn thuận nghịch. Nếu bm giảm đến giá trị nhỏ hơn độ dày vách cân bằng bm < om thì HNo giữ không thay đổi nhưng HcM tăng vì nếu H < HNo thì độ dày của các vách 180 o trong pha m bị giữ với giá trị m = bm < om. Từ đây độ rộng tới hạn bcm của pha m cho lực kháng từ HcM cực đại được xác định bởi (1.4) với m = bcm. Từ (1.5) chúng ta thấy rằng đối với m bé (m << om) thì m(m)  mAm(/m) 2 , từ đó mật độ năng lượng Em = m/m Am(/m) 2 . Từ kết quả trên và cho m = bcm ta tính được kích thước tới hạn của pha từ mềm: bcm = (Am/Kk) 1/2 (1.6) Với các giá trị điển hình Am = 10 -11 J/m, 11 Kk = 2.10 6 J/m 3 , ta có bcm  5 nm. Như vậy, đối với trường hợp tương tác trao đổi tối ưu kích thước của pha m là 2bcm = 10 nm.Nhưng thực tế cho thấy khó có thể tính được giá trị độ dày tới hạn lý thuyết cho pha k. Tuy nhiên, Kneller và Hawig cho rằng cũng rất hợp lý nếu giả thiết rằng độ dày tới hạn của pha k thoả mãn bck = 0k = (Ak/Kk) 1/2 (như đã giả thiết từ đầu). Thông thường Ak < Am vì nói chung nhiệt độ Curie của pha k là thấp hơn pha m, điều này dẫn đến bck nhận giá trị như bcm, tức là bck  bcm. Dựa vào (1.5) chúng ta có thể thấy rằng hằng số trao đổi Am của pha m càng lớn thì độ dài tương tác trao đổi bcm của pha m càng lớn. Ngược lại, hằng số dị hướng từ tinh thể Kk của pha k càng lớn thì độ dài tương tác trao đổi bcm của pha m càng nhỏ. Các tham số từ khác được tính theo (1.6) như sau: Từ độ bão hòa trung bình của vật liệu xác định bởi: MS = vkMsk + (1-vk)Msm (1.7 ) Trong đó Msk, Msm lần lượt là từ độ bão hoà của pha cứng và pha mềm vk, (1-vk) là tỷ phần thể tích tương ứng. Dễ thấy rằng trong trường hợp tỷ phần hai pha bằng nhau thì Ms = (Msk+ Msm)/2. Độ từ dư rút gọn liên hệ với tỷ phần thể tích mỗi pha theo công thức: s smsmkskrkk s r r M M)mv(1Mmv M M m   (1.8) Trường tạo mầm đảo từ: smo k1 No M K H    (1.9) Trường hợp bm > bcm , HcM phụ thuộc bm theo công thức: 12 2 msm0 2 m cM b 1 . M2 A H    (1.10) Hình 1.3. Cấu trúc hai chiều lí tưởng của nam châm đàn hồi [15] Do mẫu Kneller và Hawig khá đơn giản không thể cho một kết quả thật chính xác, phù hợp với cấu trúc thực. Tuy nhiên, mẫu cũng đã mô tả được một cách định lượng mối liên hệ cơ bản giữa vi cấu trúc và tính chất từ của vật liệu có tương tác trao đổi. Thực nghiệm chỉ ra rằng nam châm phải bao gồm hai pha sắt từ, một trong hai pha là pha từ cứng để tạo trường kháng từ cao, còn pha còn lại là pha từ mềm để cho độ từ hoá bão hòa cao. Hình 1.4. Đường cong từ trễ của hai pha từ cứng và từ mềm 13 Hình 1.5. Các đường cong khử từ điển hình (a). Có tương tác trao đổi,bm = bcm. (b). Có tương tác trao đổi với vi cấu trúc dư thừa, bm >> bcm . (c). Chỉ có pha từ cứng. (d). Hai pha từ cứng, từ mềm không tương tác với nhau . Hình 1.5 mô tả sự liên kết giữa các pha từ cứng và từ mềm trong nam châm nanocomposite và nam châm thường. Đặc tính "đàn hồi" của NCNC được thể hiện qua tính chất thuận nghịch của đường cong khử từ trong khoảng biến đổi của từ trường ngoài nhỏ hơn HNo (hình 1.5a). Các phép tính trên được thực hiện với giả thiết vật liệu là tập hợp các hạt đồng nhất. Nhận thấy rằng khi kích thước hạt giảm thì lực kháng từ tăng. Nhưng kích thước hạt có thể giảm đến một giới hạn nhất định nào đó vì khi hạt quá bé thì mẫu sẽ ở trạng thái siêu thuận từ, khi đó từ tính sẽ bị triệt tiêu bởi nhiễu loạn nhiệt. Do vậy, kích thước hạt cần phải được khống chế. 14 1.3. Hệ vật liệu từ cứng Mn-Ga-Al 1.3.1. Cấu trúc tinh thể Mn-Ga-Al Cấu trúc thể của Mn-Ga-Al được thể hiện qua hình 1.6 Hình 1.6. Cấu trúc tinh thể của Mn-Ga-Al a) 𝐷019 b) Tetragonal 𝐷022 với 𝑎~ 390 𝑝𝑚, 𝑐~715 𝑝𝑚 c)Tetragonal 𝐿𝑙0 với cấu trúc 2 ô cơ sở có khoảng cách 𝑎~390 𝑝𝑚, 𝑐 ~ 360 𝑝𝑚 1.3.2. Tính chất từ cứng của hệ Mn-Ga-Al Một hợp kim Mn-Ga với 20-40% Ga bao gồm pha 𝑀𝑛3 𝐺𝑎 loại 𝐷019 vì nó khá ổn định và pha 𝑀𝑛3𝐺𝑎 loại 𝐷022 thời gian hình thành pha khá dài. Tuy nhiên với công nghệ hiện nay người đã xác định các điều kiện tối ưu để thu được dễ dàng loại pha 𝐷022. Các pha được hình thành bằng cách ủ ở 973K [12] 1.3.3. Phương pháp chế tạo Chế tạo vật liệu từ cứng Mn-Ga-Al gồm các phương pháp sau: phương pháp hồ quang, phương pháp nghiền cơ năng lượng cao. 15 1.4. Hệ vật liệu từ mềm Fe-Co 1.4.1. Cấu trúc tinh thể Hình 1.7. Các dạng cấu trúc tinh thể của FeCo (bcc, fcc, hcp) Fe kim loại thường tồn tại dưới 2 dạng cấu trúc lập phương tâm khối (bcc) và lập phương tâm mặt (fcc), trong khi đó Co tồn tại dưới hai dạng cấu trúc lục giác xếp chặt (hcp) và lập phương tâm mặt fcc. Cấu trúc tinh thể có một tác động đáng kể đến tính chất từ. Khi hợp kim giàu Fe, chúng được hình thành ở pha (bcc) do quá trình kết tinh của hợp kim. Thay thế Co cho Fe trong các hợp kim có thể tạo ra một pha α-FeCo với cấu trúc B2 (pha trật tự) và với hợp kim giàu Co được tìm thấy có cả cấu trúc fcc và hcp trong quá trình kết tinh của hợp kim. Năng lượng cao của quá trình nghiền tạo ra trạng thái tinh thể giả bền (không cân bằng) với sự tồn tại đồng thời của các pha bcc, hcp, fcc. Hằng số mạng cho hai dạng cấu trúc fcc và bcc của sắt lần lượt là 3,515 Å và 2,87 Å. Với Co cấu trúc hcp (α-Co) thì a = 2,51 Å và c = 4,07 Å trong khi đó cấu trúc fcc (β-Co) có hằng số mạng là 3,55 Å. 1.4.2.Tính chất từ Hợp kim Fe-Co được xem là vật liệu có giá trị từ độ bão hòa lớn nhất trong số các vật liệu sắt từ đã biết. Mặc dù Co có mômen từ nguyên tử thấp bcc fcc hcp 16 hơn của Fe, nhưng khi được thay bởi Co sẽ làm tăng từ độ của hợp kim. Hình 1.9 chỉ ra sự thay đổi của mô men từ bão hòa ở nhiệt độ phòng của Fe theo hàm lượng Co được đưa vào, cho thấy giá trị lớn nhất đạt được là 240 emu/g khi Co chiếm là 35% khối lượng trong hợp kim. Độ từ thẩm cao nhất đạt được khi tỉ phần của hợp kim Fe/Co = 65/35 [14]. Sự thay đổi của từ độ bão hòa của hợp kim Fe-Co theo tỉ lệ trọng lượng Co được thể hiện qua hình 1.9 Hình 1.8. Sự thay đổi của từ độ bão hòa của hợp kim Fe-Co theo tỉ lệ Co [15] 1.4.3. Phương pháp chế tạo Chế tạo vật liệu từ mềm Fe-Co thường được tiến hành theo phương pháp vật lý như nghiền cơ năng lượng cao. Và các phương pháp hóa học như: phương pháp đồng kết tủa, phương pháp hóa khử, phương pháp hóa hơi ướt, phương pháp thủy nhiệt. Tuy nhiên trong khuôn khổ của khóa luận này chúng tôi sử dụng phương pháp đồng kết tủa để chế tạo Fe-Co với các ưu điểm sau: - Không gây độc hại đến môi trường - Thiết bị chế tạo đơn giản - Hóa chất dễ tìm kiếm - Dễ chế tạo được kích thước nano. 17 CHƯƠNG 2 KĨ THUẬT THỰC NGHIỆM 2.1. Chế tạo vật liệu từ cứng nanocomposite Mn-Ga-Al/Fe-Co 2.1.1. Chế tạo hợp kim từ cứng Mn-Ga-Al a) Chế tạo Mn-Ga-Al bằng phương pháp hồ quang Vật liệu dùng chế tạo mẫu là các nguyên tố Mn, Ga và Al có độ tinh khiết cao (99,9%) được cân đúng theo hợp phần mẫu Mn65Ga25-xAl10+x ( x = 0, 5, 10). Khối lượng thành phần các nguyên tố trong hợp kim được tính toán trong bảng 2.1 để tạo ra được mẫu có khối lượng 10 g. Bảng 2.1. Hợp phần các nguyên tố mẫu Mn65Ga25-xAl10+x. Khối lượng mẫu (g) Giá trị x Hệ mẫu Mn (g) Ga (g) Al (g) 10 0 Mn65Ga25Al10 6,3953 3,1216 0,4832 10 5 Mn65Ga20Al15 6,6497 2,5967 0,7537 10 10 Mn65Ga15Al20 6,9252 2,0282 1,0465 Hỗn hợp các kim loại của mẫu được nấu chảy thành hợp kim trong lò hồ quang. Trong quá trình nấu, các nguyên tố nóng chảy hoàn toàn và hòa trộn với nhau tạo thành hợp kim. 18 Hình 2.1. Sơ đồ khối của hệ nấu mẫu bằng hồ quang Sơ đồ khối của hệ nấu mẫu bằng hồ quang được mô tả trên hình 2.1. Hình 2.2. Hệ nấu hợp kim hồ quang. (1) Bơm chân không (5) Nguồn điện, 19 (2) Buồng nấu (6) Cần điện cực (3) Tủ điều khiển (7) Nồi nấu (4) Bình khí trơ (Ar) (8) Cần lật mẫu Hình 2.2 là ảnh thực của hệ nấu hồ quang. Toàn bộ quá trình chế tạo mẫu khối bằng phương pháp nấu hồ quang được thực hiện tại môi trường khí trơ argon để tránh sự ôxi hoá, với từng bước như sau: Bước 1: Làm sạch nồi nấu, buồng tạo mẫu. Bước 2: Đưa mẫu cùng viên Titan vào buồng tạo mẫu, đậy nắp và hút chân không bằng bơm sơ cấp để chân không đạt cỡ10-2 Torr. Xả và hút khí trơ ở buồng nấu vài lần (2-3 lần) để đuổi tạp khí, tạo môi trường sạch khí oxy. Sau đó nạp khí trơ tới áp suất hơi cao hơn áp suất khí quyển để tránh sự thẩm thấu ngược lại của không khí. Bước 3: Mở nước làm lạnh cho nồi nấu, điện cực, máy cấp nguồn và vỏ buồng nấu mẫu. Bước 4: Bật nguồn phát, nấu chảy viên Titan để kiểm tra môi trường khí trong buồng tạo mẫu. Việc nấu viên Titan có tác dụng thu và khử các chất khí có thể gây ra quá trình ôxy hoá cho mẫu. Nếu sau khi nấu viên Ti vẫn sáng thì môi trường nấu mẫu là tốt, đủ điều kiện để tiến hành nấu mẫu. Ngược lại, nếu sau khi nấu viên Titan bị xám tức là môi trường nấu chưa đạt yêu cầu, phải tiến hành qui trình làm sạch môi trường từ đầu. Bước 5 Nấu mẫu: bật nguồn phát để lấy hồ quang điện, khi lấy hồ quang phải để dòng nhỏ, không để điện cực âm chạm vào khuôn có thể gây bục nồi lò, sau đó ta phải tăng dòng điện từ từ, cho ngọn lửa dọi 20 đều lên mẫu để mẫu nóng chảy hoàn toàn và chảy đều. Khi nấu xong tất cả các mẫu có trong nồi nấu, tắt nguồn phát, đợi mẫu nguội, dung cần lật mẫu lật ngược mẫu lên. Đợi vỏ buồng nấu nguội bớt rồi mới tiếp tục bật nguồn nấu mẫu để tránh buồng mẫu quá nóng. Mẫu được lật và nấu khoảng 5 - 6 lần để các kim loại nóng chảy hoàn toàn và hòa trộn với nhau tạo thành hợp kim. b) Chế tạo Mn-Ga-Al bằng phương pháp nghiền cơ năng lượng cao Nghiền cơ năng lượng cao (NCNLC) là kỹ thuật luyện kim bột, nó sử dụng động năng dựa trên sự va đập từ các bi thép cứng với tốc độ rất cao vào vật liệu (hình 1.7). Phương pháp này giúp cho vật liệu được tạo ra có kích thước cỡ nano và có dạng bột có độ mịn. Để tạo môi trường bảo vệ cho buồng chứa vật liệu thì là một buồng kín, được hút chấn không và nạp các khí hiếm. Vật liệu khi được đặt trong buồng kín, sẽ được quay li tâm hoặc lắc với tốc độ cao. Nhờ sự va đập và nhào trộn khi buồng quay hoặc lắc tốc độ cao có thể tạo ra quá trình hợp kim hóa. Hình 2.3. Nguyên lý kỹ thuật nghiền cơ năng lượng cao (nghiền bi) Ưu thế lớn nhất của NCNLC: là tổng hợp những hợp kim mới, chẳng hạn việc tạo hợp kim từ những phần tử không thể trộn lẫn thông thường là không thể thực hiện bằng kỹ thuật khác ngoài kỹ thuật NCNLC. Quá trình NCNLC bao gồm: 21 Từ vật liệu ban đầu được nạp bột, phần tử nghiền (thường là bi nghiền được làm từ thép cứng hoặc hỗn hợp C-W) trong một cối nghiền (được làm cùng vật liệu với bi nghiền), đậy kín nắp bảo vệ sau đó đưa vào máy vặn chặt các chốt giữ rồi bật máy nghiền. Những vật liệu dễ bị ôxy hóa cần nạp ngay khí bảo vệ vào cối trước khi nghiền. Thời gian để thực hiện một lần nghiền đối với máy SPEX ngắn hơn so với máy Fritsch Pulvesisette. Hình 2.4 là máy SPEX 8000D được chúng tôi sử dụng để nghiên cứu chế tạo mẫu bằng phương pháp nghiền cơ năng lượng cao.  Nguyên tắc hoạt động Máy SPEX 8000D là một dạng của máy nghiền bi (hình 2.4). Mẫu nghiền đựng trong cối với bi nghiền, kích thước của bi nghiền phải khác nhau để có hiệu quả nghiền cao. Máy có thể nghiền những mẫu cứng nặng khoảng 10 g. Khi máy hoạt động, cối được lắc đi lắc lại nhiều lần và đạt khoảng vài nghìn lần/phút, các bi chuyển động đập vào thành cối làm cho mẫu được nghiền. Máy có khả năng làm nhỏ mẫu tới kích thước mịn cần phân tích. Với cấu tạo hai kẹp, máy không chỉ cho phép tăng gấp đôi mẫu được nghiền trong cùng một khoảng thời gian, mà còn giúp chuyển động cân bằng hơn, đồng thời giảm sự rung và kéo dài tuổi thọ của máy. Máy có gắn một đồng hồ điện tử có thể thay đổi, xác định thời gian nghiền cùng bộ phận làm trơn, làm mát và khớp cài an toàn. Ngoài ra, máy còn có một quạt bảo vệ động cơ và giữ Hình 2.4. Máy nghiền cơ SPEX 8000D cùng cối và bi nghiền 22 máy mát trong suốt thời gian sử dụng.  Cấu tạo máy nghiền SPEX 8000D Hình 2.5. Cấu tạo chi tiết máy nghiền SPEX 8000D Chú thích: (1) Hệ thống kẹp đơn. (2) Giá đỡ. (3) Hệ thống lò xo giữ kẹp. (4) Động cơ ròng rọc. (5) Động cơ. 6. Đai truyền. (13) Tay đòn. (14) Mặt kẹp đứng yên. (15) Đệm lót cao su của mặt kẹp. (16) Thân kẹp. (17) Tâm sai. 23 (7) Ống lót bề mặt kẹp chuyển động. (8) Êcu hãm. (9) Đinh ốc kẹp (10) Thanh liên kết (11) Kẹp đinh ốc. (12) Mặt kẹp di động. (18) Giá đỡ khối dựa. (19) Đai giữ giá đỡ. (20) Trục. (21) Vô lăng. (22) Khối dựa. (23) Trục ròng rọc.  Chế tạo mẫu bột Hợp kim Mn-Ga-Al sau khi nấu hồ quang tạo thành tiền hợp kim có thành phần như dự định được đập vỡ thành mảnh nhỏ cho vào cối nghiền trong môi trường cồn nguyên chất 99,7%. Mẫu được nghiền trong khoảng thời gian 8 giờ với tỉ lệ bi/bột 4:1.  Quá trình sử dụng buồng khí được tuân theo các bước sau: 1/ Nạp khí Ar vào buồng Sử dụng các van (1), (2) và (3) để đuổi khí nhiều lần trong buồng bằng cách hút chân không trong buồng khí rồi xả khí Ar vào. Cuối cùng nạp khí Ar vào buồng khí và khóa van (3) (chú ý trong các lần hút, xả và nạp khí không để găng cao su bị kéo quá căng  sẽ bị rách găng). . Buồng Ar Buồng đệm Khí Ar Bơm chân không (1) (2) (3) Găng tay cao su Hình 2.6. Sơ đồ khối của buồng khí Ar 24 Hình 2.7. Ảnh thực của buồng khí Ar 2/Đưa mẫu vào buồng khí Khoá chặt cửa (3)  đưa mẫu cần xử lý hoặc cất giữ vào buồng đệm, đậy kín nắp buồng đệm  đuổi khí khoảng 2 ÷ 3 lần, đảm bảo cho buồng đệm đã sạch không khí thì đóng van (2), mở van (1) xả Ar vào buồng đệm lần cuối, khi áp suất buồng đệm cân bằng với buồng khí thì đóng van (1)  lồng tay vào găng cao su, mở cửa (3) lấy mẫu từ buồng đệm đưa vào buồng khí  làm việc với mẫu qua găng cao su hoặc cất giữ mẫu  Đóng cửa (3). 3/ Lấy mẫu ra Đậy kín nắp buồng đệm  đuổi khí cho buồng đệm 2, 3 lần đảm bảo cho buồng đệm đã sạch khí thì đóng van (2), mở van (1) xả Ar vào buồng đệm lần cuối. Xả từ từ Ar đến khi (3) lật ra thì đóng van (1)  Lồng tay vào găng cao su, mở cửa (3) đưa mẫu từ buồng khí ra buồng đệm  đóng cửa (3), mở cửa buồng đệm lấy mẫu ra. * Chú ý - Không được đảo lộn các trình tự trên. - Không xả Ar vào buồng khí quá đầy và hút chân không trong buồng khí quá thấp, sẽ làm hỏng găng. - Chỉ mở cửa (3) khi bảo đảm buồng đệm đã chứa Ar tinh khiết. 25 - Khi xả khí chú ý không để dầu tràn vào buồng khí.  Ép viên Hình 2.8. Hệ ép mẫu bột thành khối Sau khi nghiền ta được mẫu hợp kim ở dạng bột, nhưng mẫu bột này để trong không khí rất dễ bị oxi hóa, vì vậy nên ta phải ép mẫu để tạo thành các khối mẫu hình trụ có chiều cao khoảng 3 mm, đường kính 3 mm. Lực ép khoảng 45 kg/cm2. Hình 2.6 là hệ ép mẫu bột thành khối. Quá trình ép mẫu để hạn chế oxi hóa mẫu trong quá trình bảo quản, thuận tiện trong việc xử lí nhiệt và dễ dàng thực hiện được các phép đo khi phân tích kết quả.  Xử lý nhiệt hợp kim Mn-Ga-Al Quá trình ủ nhiệt được thực hiện trong lò ủ nhiệt dạng ống Lindlerg Blue M (hình 2.9) điều khiển ổn định nhiệt tự động theo chế độ cài đặt. Hình 2.9. Lò xử lý nhiệt Lindlerg Blue M 26 Mẫu sau khi ép viên được đựng trong cối nhỏ đưa vào 1 ống kim loại. Tiến hành xả khí Argon và hút chân không nhiều lần trong ống để đảm bảo sạch Oxy. Sau đó ống được đưa vào lò ở nhiệt độ xác đinh trước. Sau khoảng thời gian nhất định, ống kim loại được lấy ra và cho ngay vào nước để tiến hành làm nguội nhanh, tránh tạo các pha khác nhau. Hình 2.10. Buồng xử lý mẫu 2.1.2. Chế tạo hợp kim từ mềm Fe-Co bằng phương pháp đồng kết tủa Hóa chất: Hình 2.11. Các hóa chất sử dụng chế tạo FeCo bằng phương pháp đồng kết tủa Dụng cụ: 27 Hình 2.12 .Các dụng sử dụng chế tạo tạo Fe-Co Thiết bị thí nghiệm: Hình 2.13. Máy khuấy từ Hình 2.14. Máy rung siêu âm Hình 2.15. Máy đo độ Ph 28 Hình 2.16. Nhiệt kế Hình 2.17. Cân điện tử Hợp phần được lựa chọn để điều chế Fe-Co là Fe65Co35. Điều chế Fe từ muối 𝐹𝑒𝐶𝑙2. 4𝐻2𝑂 và điều chế Co từ (𝐶𝐻3𝐶𝑂𝑂)2𝐶o.4𝐻2𝑂 có độ tinh khiết cao (99,9%). Mẫu hợp kim được tính toán với khối lượng thành phần như sau: Bảng 2.2. Hợp phần mẫu Fe65Co35 Khối lượng (g) Hệ mẫu 𝐹𝑒𝐶𝑙2. 4𝐻2𝑂 (g) (𝐶𝐻3𝐶𝑂𝑂)2𝐶o.4𝐻2𝑂 (g) 0,5 Fe65Co35 1,135 0,7657 Quy trình chế tạo FeCo như sau: Bước 1: Làm sạch dụng cụ, thiết bị thí nghiệm. Bước 2: Cân hóa chất 𝐶𝑙2. 4𝐻2𝑂 , (𝐶𝐻3𝐶𝑂𝑂)2𝐶o.4𝐻2𝑂 theo đúng hợp phần tính toán bằng cân điện tử. Bước 3: Cho hóa chất vào bình 3 cổ khuấy bằng máy khuấy từ 30 phút (Thí nghiệm được bố trí như hình 2.16). 29 Bước 4: Cho dung dịch NaOH bình (cân 0,8g NaOH dạng muối sau đó hòa với nước cất) khuấy trong 60 phút để điều chỉnh độ pH. Bước 5: Pha 1g 𝑁𝑎𝐵𝐻4 vào 10 ml nước cất sau đó nhỏ vào bình khuấy từ 5 đến 10 phút. Bước 6: Kết thúc thí nghiệm tắt khuấy từ để mẫu nguội tự nhiên. Bước 7: Thu mẫu và làm sạch mẫu 3 lần cồn 96, 2 lần cồn tuyệt đối, 1 lần nước cất bằng máy rung siêu âm. Hình 2.18. Bộ thí nghiệm chế tạo mẫu (1) Bình cầu chứa mẫu (2) Ti-o sinh-hàn (3) Máy khuấy từ và ra nhiệt (4) Đường nước vào (5) Đường nước ra (6) Đường khí Ar vào (7) Nhiệt kế (8) Bình khí Ar (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) 30 2.1.3. Chế tạo vật liệu từ cứng nanocomposite Mn-Ga-Al/Fe-Co Sơ đồ chế tạo tổ hợp nano Mn-Ga-Al/Fe-Co: Sơ đồ thể hiện quy trình chế tạo vật liệu từ cứng nanocomposite Mn-Ga- Al/Fe-Co như sau: Các pha từ cứng 𝑀𝑛65𝐺𝑎20𝐴𝑙15 được điều chế bằng phương pháp nghiền bi năng lượng cao từ các nguyên tố Mn, Ga, Al có độ tinh khiết cao (99,9%) và pha từ mềm 𝐹𝑒65𝐶𝑜35 đươc điều chế bằng phương pháp đồng kết tủa từ các nguyên tố Fe, Co có độ tinh khiết cao (99,9%). Trước khi nghiền cơ, các thỏi 𝑀𝑛65𝐺𝑎20𝐴𝑙15 được chế tạo bằng phương pháp hồ quang. Hợp kim 𝑀𝑛65𝐺𝑎20𝐴𝑙15 được nghiền với tỉ lệ bi/ bột 4:1 trong khoảng thời gian khác nhau là 8 giờ và 32 giờ trong dung môi cồn tinh khiết để hạn chế quá trình oxi hóa và phân cụm các hạt. Sau khi nghiền cơ, bột hợp kim được sấy khô trong buồng chân không trong khoảng thời gian 12 giờ. Bột 𝑀𝑛65𝐺𝑎20𝐴𝑙15 được ủ từ 500℃ đến 700℃ trong khoảng từ 2 phút đến 45 phút. Các hạt nano từ cứng 𝑀𝑛65𝐺𝑎20𝐴𝑙15 được trộn cùng với các hạt từ 31 mềm 𝐹𝑒65𝐶𝑜35 với các phần khối lượng khác nhau từ 5% đến 20%. Hỗn hợp các mẫu sau đó được ép và ủ ở 650℃ trong 30 phút để thu được nam châm nanocomposite. Cấu trúc và kích thước hạt các mẫu được phân tích bằng phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) và kính hiển vi điện tử quét (SEM). Các tính chất từ của các mẫu được nghiên cứu bằng phép đo từ hóa trên trường xung và dao động. 2.2. Các phương pháp nghiên cứu cấu trúc. 2.2.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X. Nhiễu xạ tia X (hay còn gọi là XRD – X-Ray Diffraction) là phương pháp xác định cấu tr