Khóa luận Chế tạo vật liệu từ cứng Mn - Ga - al bằng phương pháp nguội nhanh

từ tinh thể mạnh cho lực kháng từ Hc lớn. Vật liệu SmCo5 có khả năng chế tạo nam châm vĩnh cửu có năng lƣợng cao kỉ lục (30 MGOe), mở ra một trang mới về một họ vật liệu từ cứng vô cùng quan trọng, họ nam châm đất hiếm. Tuy nhiên, vào những năm 1970, Côban trở nên khá đắt đỏ, nguồn cung cấp nguyên liệu không ổn định, do đó, các nghiên cứu nhằm thay thế côban cũng nhƣ tìm ra vật liệu từ cứng mới đƣợc thúc đẩy mạnh mẽ trên toàn thế giới. Năm 1983, Sagawa và các cộng sự tại hãng kim loại Sumitomo (Nhật Bản) đã chế tạo thành công nam châm vĩnh cửu có thành phần Nd8Fe77B5 có 6 (BH)max ~ 36.2 MGOe. Cũng năm đó, Croat và cộng sự ở công ty General Motors (Mỹ) bằng phƣơng pháp phun băng nguội nhanh đã chế tạo đƣợc nam châm vĩnh cửu có thành phần Nd2Fe14B có (BH)max ~ 14 MGOe. Đến nay bằng phƣơng pháp thiêu kết, một số phòng thí nghiệm trên thế giới đã chế tạo đƣợc vật liệu từ Nd2Fe14B có (BH)max ~ 57 MGOe. Đến năm 1988, Coehoorn và các cộng sự ở phòng thí nghiệm Philip Research (Hà Lan) đã phát minh ra loại vật liệu mới có (BH)max ~ 12.4 MGOe. Vật liệu này chứa nhiều pha, bao gồm hai pha từ mềm Fe3B (73% thể tích),  -Fe (12% thể tích) và pha từ cứng Nd2Fe14B (15% thể tích). Vật liệu từ cứng loại này đƣợc gọi là vật liệu nanocomposite, tuy (BH)max chƣa cao nhƣng vật liệu này chứa ít đất hiếm và công nghệ chế tạo đơn giản hơn, nên giá thành rẻ và tăng độ bền hóa học của vật liệu. Vật liệu từ cứng đƣợc tìm ra từ những thập kỉ 50-60, rất khó chế tạo, thƣờng đƣợc chế tạo trên các hệ hợp kim nền đất hiếm. Vào những năm gần đây, do khủng hoảng về đất hiếm nên các nhà khoa học tập trung vào hƣớng nghiên cứu chế tạo các vật liệu từ cứng chứa ít và không chứa đất hiếm nhằm đáp ứng ứng dụng và giảm giá thành của nam châm. Trong các hệ vật liệu từ cứng không chứa đất hiếm, hệ Mn-Ga hiện nay đang đƣợc nghiên cứu vì hệ vật liệu này có lực kháng từ cao cỡ 20 kOe, bên cạnh đó giá thành của hệ vật liệu này khá rẻ. 1.2. Một số hệ vật liệu từ cứng không chứa đất hiếm Năm 2012, Tetsuji Saito và cộng sự đã tiến hành sản xuất các hợp kim Mn100-xGax (x = 20-50) [8]. Các tính chất từ của băng nguội nhanh Mn-Ga phụ thuộc vào nguyên tố Ga và nhiệt độ ủ. Với mẫu băng Mn70Ga30 có Hc = 5.7 kOe khi ủ ở 973 K trong 1 giờ. 7 Hình 1.2. Sự phụ thuộc lực kháng từ của băng Mn100-xGax vào quá trình ủ nhiệt Năm 2015, Tetsuji Saito và cộng sự đã công bố hệ hợp kim từ cứng Mn65Ga35-xAlx [7]. Mẫu Mn65Ga35 bao gồm pha Mn3Ga kiểu D022 thể hiện lực kháng từ là 400 kA/m. Sự thay thế một phần Ga bằng Al trong mẫu Mn65Ga35 dẫn đến sự hình thành một pha mới với nhiệt độ Curie là 680 K. Pha khối này thể hiện lực kháng từ là 730 kA/m, cao hơn so với loại D022 của pha Mn3Ga. Hình 1.3. Biểu diễn sự phụ thuộc của từ độ dư và lực kháng từ vào hàm lượng nhôm của Mn65Ga35-xAlx (x = 0-25) 8 Hình 1.3 biểu diễn sự phụ thuộc của từ độ dƣ và lực kháng từ vào hàm lƣợng nhôm của Mn65Ga35-xAlx (x = 0-25). Lực kháng từ lớn nhất là 730 kA/m đã đạt đƣợc trong mẫu Mn65Ga15Al20. Việc thêm Al vào nam châm Mn- Ga làm thay đổi từ độ dƣ và lực kháng từ. Hình 1.4. Các vòng trễ của (a) mẫu Mn65Ga35 và (b) mẫu Mn65Ga15Al20. Các vòng trễ của các mẫu Mn65Ga35 và Mn65Ga15Al20 đƣợc biểu diễn trong hình 1.4. Mẫu Mn65Ga35 đƣa ra giá trị lớn nhất là 12.8 kJ/m 3 với lực kháng từ là 348 kA/m, trong khi mẫu Mn65Ga15Al20 có giá trị lớn nhất là 2.0 kJ/m 3 với lực kháng từ 730 kA/m. Năm 2016, Tetsuji Saito và và cộng sự đã công bố kết quả nghiên cứu về thay thế một phần Ga bởi các nguyên tố khác hình 1.5 [9]. Hình 1.5. Sự phụ thuộc của lực kháng từ trong các hợp kim Mn65Ga35-xCux (x = 0-20) ở các nhiệt độ khác nhau. 9 1.3. Hệ vật liệu từ cứng Mn-Ga-Al 1.3.1. Cấu trúc tinh thể Mn-Ga-Al Tinh thể Mn-Ga-Al tồn tại ở nhiều dạng cấu trúc 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 L10 với cấu trúc 2 ô cơ sở có khoảng cách a ~ 390 pm, c ~ 360 pm. 1.3.2. Giản đồ pha Gần đây, nhóm nghiên cứu Nanofoundry, LLC, Glen Allen, VA đã đƣa ra giản đồ pha của hệ Mn-Ga (hình 1.7) [5]. Hình 1.7. Giản đồ pha của hệ hợp kim Mn-Ga 10 Tuy nhiên, nhóm tác giả đã cho thấy sự ổn định của pha Mn-Ga rất khó khăn trong điều kiện bình thƣờng. 1.3.3. Tính chất từ cứng của hệ Mn-Ga-Al Một hợp kim Mn-Ga với 20-40% Ga thƣờng bao gồm pha Mn3Ga loại D019 bởi vì nó khá ổn định và pha Mn3Ga loại D022 thời gian hình thành pha khá dài. Tuy nhiên với công nghệ hiện nay ngƣời ta đã xác định các điều kiện tối ƣu để thu đƣợc dễ dàng loại pha D022. Các pha đƣợc hình thành bằng cách ủ ở 973K [7]. 11 CHƢƠNG 2 KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM 2.1. Các phƣơng pháp nguội nhanh Phƣơng pháp phun băng nguội nhanh lần đầu tiên đƣợc thực hiện vào năm 1960 bởi nhóm của P. Duwez ở Viện Công nghệ Califonia (Caltech). Nhóm này đã chế tạo thành công một loạt các hợp kim vô định hình nhƣ AuSi, AgCu, AgGĐây là kỹ thuật làm hóa rắn nhanh hợp kim nóng chảy. Lúc mới phát minh ngƣời ta dùng phƣơng pháp này với mục đích tạo ra dung dịch rắn giả bền cho kim loại, nghĩa là phải rắn nhanh và có dạng băng nên gọi là băng nguội nhanh. Công nghệ phun băng nguội nhanh (rapid cooling, melt-spinning) còn đƣợc gọi là phƣơng pháp làm lạnh nhanh hoặc tôi nhanh (rapid quenching) hình 2.1. a, Nguyên lý hệ phun băng đơn trục b, Ảnh thực của trống đồng và cuộn dây cao tần c, Hình ảnh một số mẫu băng thu được Hình 2.1. Sơ đồ nguyên lý của hệ phun băng nguội nhanh đơn trục (a) Ảnh thực của trống đồng và cuộn dây cao tần (b) và hình ảnh một số mẫu băng thu được (c). Phƣơng pháp này sử dụng năng lƣợng bên ngoài làm nóng chảy vật liệu (quá trình năng lƣợng hóa tạo ra trạng thái không bền cho vật liệu). Chính nguồn năng lƣợng đó làm thay đổi trạng thái của vật liệu từ rắn sang lỏng, sau 12 đó vật liệu đƣợc làm nguội nhanh để giữ cấu trúc của hợp kim hóa rắn giống nhƣ trạng thái của chất lỏng (trạng thái VĐH). Bằng cách đó các tính chất cơ, lý, hóa của vật liệu đƣợc tăng cƣờng rất nhiều so với vật liệu ban đầu. Nguyên tắc của phƣơng pháp phun băng nguội nhanh là làm lạnh hợp kim nóng chảy với tốc độ lớn hơn tốc độ làm nguội tới hạn. Để có thể thu nhiệt của vật liệu ngƣời ta dùng một trống quay có bề mặt nhẵn bóng, có khả năng thu nhiệt cao (thƣờng là làm bằng đồng), cho quay với tốc độ lớn làm môi trƣờng thu nhiệt của hợp kim nóng chảy. Hợp kim đƣợc làm nóng chảy trong một nồi nấu đặc biệt theo phƣơng pháp nỏng chảy cảm ứng bằng dòng điện cao tần. Có 3 loại thiết bị để thực hiện phƣơng pháp phun băng nguội nhanh là: thiết bị phun băng nguội nhanh trống quay đơn trục, thiết bị phun băng nguội nhanh trống quay hai trục và thiết bị phun băng nguội nhanh ly tâm. 2.1.1. Phƣơng pháp nguội nhanh đơn trục Phƣơng pháp nguội nhanh đơn trục là phƣơng pháp nguội nhanh trên một trống quay đƣợc quay với tốc độ cao (hình 2.1a). Hợp kim đƣợc phun trên bề mặt trống, nhờ bề mặt nhẵn bóng mà hợp kim đƣợc dàn mỏng và đƣợc thu nhiệt rất nhanh. Độ dày của băng hợp kim phụ thuộc vào các yếu tố là độ lớn của đƣờng kính vòi phun, áp suất khí đẩy khi phun băng, khoảng cách từ vòi phun đến mặt trống và tốc độ trống quay. Hình 2.1b là ảnh chụp dòng hợp kim nóng chảy trên mặt trống quay. Phƣơng pháp này dễ tiến hành và giá thành thấp nhƣng có nhƣợc điểm là dễ xảy ra sự sai khác về cấu trúc cũng nhƣ tính chất bề mặt ở cả hai phía của băng hợp kim, đồng thời tính lặp lại về chiều dày của băng hợp kim thƣờng không cao. 2.1.2. Phƣơng pháp nguội nhanh hai trục Phƣơng pháp nguội nhanh hai trục (hình 2.2) là phƣơng pháp sử dụng hai trống quay đặt tiếp xúc với nhau và quay ngƣợc chiều nhau. 13 Hình 2.2. Sơ đồ nguyên lý thiết bị phun băng trống quay đôi Hợp kim đƣợc làm lạnh giữa hai khe của bề mặt trống, vừa bị làm lạnh vừa bị cán ép nên có độ dày rất chuẩn xác (chỉ phụ thuộc vào khoảng cách giữa hai trống) đồng thời tính chất hai bề mặt sai khác rất ít. Nhƣng điểm khó của phƣơng pháp này là tính đồng bộ giữa hai trống quay. Điểm quan trọng của phƣơng pháp nguội nhanh hai trục là chế tạo các trống quay trên mỗi trục phải cực kỳ chính xác (độ rung của bề mặt trống rất thấp chỉ cỡ vài micromet), đồng thời bề mặt của các trống phải đƣợc xử năng thu nhiệt nhanh và ít bị ôxi hóa. Vật liệu phổ biến đƣợc dùng là hợp kim của đồng. Để chế tạo các băng hợp kim đặc biệt chứa các kim loại dễ bị ôxi hóa nhƣ băng hợp kim từ cứng, ngƣời ta đặt cả hệ trong môi trƣờng bảo vệ (đƣợc hút chân không cao hoặc đƣợc nạp các khí bảo vệ). 2.1.3. Phƣơng pháp nguội nhanh ly tâm Phƣơng pháp nguội nhanh ly tâm (hình 2.3) là phƣơng pháp sử dụng đĩa quay với tốc độ lớn thay cho trống đồng trong hai phƣơng pháp trên. Hợp kim lỏng đƣợc phun trên mặt đĩa và đƣợc làm lạnh (đông cứng) khi tiếp xúc với bề mặt đĩa quay, trong phƣơng pháp này đĩa quay là môi trƣờng thu nhiệt nhanh. Vì đĩa quay với tốc độ lớn nên hợp kim bị văng ra do tác dụng của lực ly tâm. 14 Hình 2.3. Phương pháp nguội nhanh ly tâm Mỗi thiết bị đều có ƣu nhƣợc điểm riêng mà tùy yêu cầu sử dụng mà ta chọn thiết bị nào cho phù hợp. Tuy vậy, phƣơng pháp phun băng nguội nhanh trống quay đơn trục vẫn đƣợc dùng nhiều nhất. 2.1.4. Chế tạo băng hợp kim bằng phƣơng pháp nguội nhanh Sơ đồ khối của công nghệ nguội nhanh đƣợc mô tả trên hình 2.4. Trong khóa luận này, băng nguội nhanh đƣợc tạo bằng thiết bị ZKG- 1 (hình 2.5) đặt tại Viện Khoa học Vật liệu, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Vận tốc dài của trống quay trong thiết bị có thể thay đổi từ 5 đến 48 m/s. Khối lƣợng hợp kim tối đa mỗi lần phun là 100 g. Mức chân không của trạng thái khi làm việc cỡ 6.610-2 Pa. Hình 2.4. Sơ đồ khối của hệ phun băng nguội nhanh đơn trục. 15 Đặt tiền hợp kim vào trong ống thạch anh có đƣờng kính đầu vòi khoảng 0,5 đến 1 mm và đƣợc đặt gần sát bề mặt trống đồng. Hợp kim đƣợc làm nóng chảy bằng dòng cảm ứng cao tần. Hợp kim sau khi nóng chảy đƣợc nén bởi áp lực của dòng khí trơ Ar và chảy qua khe vòi, phun lên mặt trống đồng đang quay. Giọt hợp kim đƣợc giàn mỏng và bám lên mặt trống đồng trong thời gian t  103  102 s, trong khoảng thời gian này nhiệt độ hợp kim giảm từ nhiệt độ nóng chảy xuống nhiệt độ phòng (T  103 K). Tốc độ nguội R đƣợc tính theo công thức: R = T/t (2.1) Tức là tốc độ làm nguội R khoảng 10-6  10-5 K/s Tốc độ làm nguội của hợp kim phụ thuộc vào tốc độ quay của trống đồng. Tốc độ chảy của dung dịch nóng chảy phụ thuộc vào kích thƣớc vòi phun và áp suất khí nén. Hợp kim lỏng bị đông cứng lại khi tiếp xúc với trống đồng, sau đó văng khỏi mặt trống. Hình 2.5. a) Thiết bị phun băng nguội nhanh ZKG-1: 1. Bơm hút chân không, 2. Buồng nấu, 3. Nguồn phát cao tần, b) Bên trong buồng tạo băng: 4. Trống quay, 5. Vòng cao tần, 6. Ống thạch anh. 1 2 3 (a) (b) 4 5 6 16 Quy trình phun băng: 1. Vệ sinh buồng phun băng, đặc biệt là mặt trống. 2. Lựa chọn ông thạch anh đã đƣợc làm sạch, có đƣờng kính vòi phun  1 mm, nếu đƣờng kính vòi phun lớn sẽ tăng độ dày của mẫu băng làm giảm tốc độ nguội, tăng khả năng kết tinh của mẫu. Đƣa mẫu đã làm sạch bề mặt vào ống thạch anh và gắn ống thạch anh lên giá hiệu chỉnh khoảng cách giữa vòi phun và bề mặt tang trống. Khoảng cách thƣờng đƣợc chọn là cỡ 10 mm. Hiệu chỉnh áp suất khí đẩy phù hợp, nếu áp suất khí đẩy lớn sẽ làm mẫu băng bị xé thành từng mảnh nhỏ, áp suất khí đẩy nhỏ sẽ làm tắc vòi và tăng độ dày của mẫu băng. Hiệu chỉnh vị trí vòi phun trên tang trống. Đóng nắp buồng phun băng. Đóng hoàn toàn các van khí. 3. Cấp nguồn cho hệ phun băng. Mở nƣớc làm mát cho hệ bơm chân không. Khởi động bơm chân không sơ cấp, khi độ chân không trong buồng phun băng đạt cỡ 10-2 mmHg thì tiến hành đuổi khí, quá trình đuổi khí khoảng 2- 3 lần. Nếu hệ mẫu có tính oxy hóa cao cần khởi động bơm khuếch tán. 4. Xả khí Ar vào buồng phun băng với áp suất cỡ 1/2 atm để làm môi trƣờng bảo vệ và dẫn nhiệt cho băng hợp kim. 5. Tắt hệ thống bơm chân không, mở các đƣờng cấp nƣớc cho trống, buồng phun, máy phát và cuộn cao tần. 6. Khởi động và lựa chọn tốc độ trống quay (tốc độ phun băng), tốc độ trống quay quyết định độ dày, độ rộng và tính kết tinh của mẫu băng. 7. Khởi động và điều chỉnh dòng cao tần sao cho khối hợp kim đảm bảo chảy loãng. Khi hợp kim đã chảy loãng, mở van đẩy hợp kim phun vào tang trống. 8. Khi buồng phun nguội khởi động bơm chân không hút khí trong buồng phun ra ngoài, thu mẫu băng, đóng các đƣờng cấp nƣớc, vệ sinh hệ phun băng, cắt toàn bộ hệ thống cấp nguồn. 17 Một số lƣu ý khi thực nghiệm: + Buồng tạo băng phải đƣợc vệ sinh sạch sẽ trƣớc khi phun, hợp kim đƣợc đánh sạch xỉ trƣớc khi cho vào ống thạch anh. + Bề mặt trống đồng phải đƣợc vệ sinh sạch, đạt độ nhẵn, độ bóng cao để đảm bảo hợp kim nóng chảy không bị bám vào mặt trống. + Đóng mở van xả khí đẩy hợp kim lỏng và van xả khí trơ vào chuông trong quá trình hút chân không để tránh không khí còn trong ống dẫn. Tùy thuộc vào tốc độ quay của trống và loại vật liệu, băng nguội nhanh có độ dày từ 20 m đến 60 m, chiều rộng cỡ vài mm. 2.2. Phƣơng pháp xử lý nhiệt Quá trình ủ nhiệt đƣợc thực hiện trong lò ủ nhiệt dạng ống Thermolyne (hình 2.6) điều khiển nhiệt độ tự động, tốc độ gia nhiệt tối đa đạt 50oC/phút. Trong các thí nghiệm, chúng tôi đã sử dụng phƣơng pháp ủ ngắt. Mẫu đƣợc đƣa ngay vào vùng nhiệt độ đã đƣợc khảo sát theo yêu cầu và đƣợc ủ trong thời gian mong muốn, sau đó đƣợc lấy ra và làm nguội nhanh để tránh sự tạo các pha khác ở nhiệt độ trung gian. Để thực hiện điều này chúng tôi thiết kế một ống kim loại có thể hút chân không, mẫu cần ủ nhiệt đƣợc cho vào ống, sau đó hút chân không và bơm khí Ar nhiều lần. Ống này đƣợc đƣa vào lò tại vùng có nhiệt độ theo yêu cầu, sau một thời gian xác định lấy thanh ra và làm nguội nhanh bằng nƣớc. Hình 2.6. Thiết bị ủ nhiệt Thermolyne. 18 2.3. Phƣơng pháp phân tích cấu trúc tinh thể Nhiễu xạ tia X (XRD – X-Ray Diffraction) là một trong những phƣơng pháp hiệu quả và đƣợc sử dụng rộng rãi nhất trong nghiên cứu cấu trúc tinh thể của vật liệu. Nguyên lý của phƣơng pháp dựa trên việc phân tích các ảnh nhiễu xạ thu đƣợc của tia X sau khi tƣơng tác với mẫu. Xét sự phản xạ của một chùm tia X trên hai mặt phẳng mạng song song và gần nhau nhất với khoảng cách d (hình 2.7). Tia X có năng lƣợng cao nên có khả năng xuyên sâu vào vật liệu và gây ra phản xạ trên nhiều mặt phẳng mạng tinh thể (hkl) ở sâu phía dƣới. Từ hình vẽ ta thấy hiệu quang trình giữa hai phản xạ 1’ và 2’ từ hai mặt phẳng liên tiếp bằng 2d sin. Hình 2.7. Mô hình hình học của hiện tượng nhiễu xạ tia X. Điều kiện để có hiện tƣợng nhiễu xạ đƣợc đƣa ra bởi phƣơng trình Bragg: 2d sin = n (2.2) Từ phƣơng trình 2.2 ta thấy nhiễu xạ của mỗi mẫu sẽ thể hiện các đặc trƣng cơ bản của tinh thể mẫu đó. Qua giản đồ nhiễu xạ tia X ta có thể xác định đƣợc các đặc tính cấu trúc của mạng tinh thể nhƣ kiểu mạng, thành phần pha tinh thể, độ kết tinh, các hằng số cấu trúc. Mặt khác, từ độ bán rộng của các đỉnh nhiễu xạ ta có thể tính đƣợc gần đúng kích thƣớc hạt tinh thể trong mạng bằng công thức Scherrer: D = )cos( 9.0   , (2.3) 19 Trong đó:  là bƣớc sóng kích thích của tia X ( = 0.5406 Å).  là góc nhiễu xạ Bragg.  (rad) là độ bán rộng của đỉnh nhiễu xạ. Các phép đo và phân tích nhiễu xạ tia X đƣợc thực hiện trên thiết bị Siemens Brucker (hình 2.8) với bức xạ Cu-K tại Trƣờng ĐHKHTN. Hình 2.8. Thiết bị khảo sát cấu trúc Siemen D-5000. 2.4. Các phƣơng pháp nghiên cứu tính chất từ 2.4.1. Hệ đo từ kế mẫu rung (VSM) Các phép đo từ độ phụ thuộc nhiệt độ và phép đo đƣờng cong từ hóa đẳng nhiệt đƣợc thực hiện trên hệ đo từ kế mẫu rung (VSM) của Phòng Vật lý Vật liệu Từ và Siêu dẫn thuộc Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Thiết bị này có độ nhạy cỡ 10-4 emu và có thể hoạt động trong khoảng từ trƣờng từ -12 kOe đến 12 kOe và trong khoảng nhiệt độ từ 77 K đến 1000 K. Các mẫu đo đƣợc gắn chắc với bình đựng mẫu để tránh sự dao động của mẫu trong quá trình đo. Quá trình đo từ độ ở nhiệt độ cao đƣợc thực hiện trong môi trƣờng khí trơ. 20 Hình 2.9. Sơ đồ nguyên lý của hệ từ kế mẫu rung (VSM). (1) Màng rung điện động (7) Mẫu đo (2) Giá đỡ hình nón (8) Cuộn dây thu tín hiệu (3) Mẫu so sánh (9) Các cực nam châm (4) Cuộn dây thu tín hiệu so sánh Hệ VSM hoạt động dựa vào sự thay đổi từ thông trong các cuộn dây thu, đặt gần mẫu khi mẫu dao động với tần số xác định theo một phƣơng cố định nhờ một màng rung điện động. Suất điện động cảm ứng xuất hiện trong các cuộn dây thu là do sự thay đổi khoảng cách tƣơng đối giữa mẫu đo và cuộn dây do mẫu dao động. Biểu thức của suất điện động cảm ứng : e = MAG(r)cos(t), (2.4) Trong đó : M,  và A lần lƣợt là mômen từ, tần số và biên độ dao động của mẫu; G(r) là hàm độ nhạy phụ thuộc vào vị trí đặt mẫu so với cuộn dây thu và cấu hình các cuộn thu. Tín hiệu thu đƣợc từ các cuộn dây đƣợc khuếch đại bằng bộ khuếch đại lọc lựa tần số nhạy pha trƣớc khi đi đến bộ xử lý để hiển thị kết quả. 21 2.4.2. Hệ đo từ trƣờng xung (PFM) Các phép đo từ trễ đƣợc thực hiện trên hệ đo từ trƣờng xung với từ trƣờng cực đại lên đến 90 kOe. Hình 2.11 là hình ảnh hệ đo từ trƣờng xung. Hình 2.10. Sơ đồ nguyên lý của hệ đo từ trường xung. Hệ đƣợc thiết kế theo nguyên tắc nạp – phóng điện qua bộ tụ điện và cuộn dây (hình 2.10). Dòng một chiều qua K1, nạp điện cho tụ, tụ tích năng lƣợng cỡ vài chục KJ. Khóa K2 đóng, dòng điện hình sin tắt dần. Dòng điện trong thời gian tồn tại ngắn đã phóng điện qua cuộn dây nam châm L và tạo trong lòng ống dây một từ trƣờng xung cao. Mẫu đo đƣợc đặt tại tâm của cuộn nam châm cùng với hệ cuộn dây cảm biến pick - up. Tín hiệu ở lối ra tỷ lệ với vi phân từ độ và vi phân từ trƣờng sẽ đƣợc thu thập, xử lí hoặc lƣu trữ cho các mục đích cụ thể. Từ trƣờng trong lòng ống dây có thể đƣợc sử dụng để nạp từ cho các mẫu vật liệu khi chỉ dùng một nửa chu kì hình sin của dòng điện phóng. Từ trƣờng lớn nhất của hệ có thể đạt tới 100 kOe. Hệ đƣợc điều khiển và đo đạc bằng kĩ thuật điện tử và ghép nối với máy tính. 22 Hình 2.11. Hệ đo từ trường xung. Để tránh đƣợc hiệu ứng trƣờng khử từ, các mẫu đƣợc đặt sao cho từ trƣờng ngoài song song và dọc theo chiều dài của mẫu, các mẫu khối đều đƣợc cắt theo dạng hình trụ. Các mẫu đo đƣợc gắn chặt vào bình. 23 CHƢƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Trong khóa luận này chúng tôi đã khảo sát sự ảnh hƣởng của Al và chế độ ủ nhiệt lên cấu trúc và tính chất từ của băng hợp kim Mn65Ga20-xAl15+x (x = 0-10). Các mẫu hợp kim Mn65Ga20-xAl15+x (x = 0-10) đƣợc phun băng với vận tốc trống quay là 20 m/s. Các mẫu băng thu đƣợc, sau đó đƣợc ủ ở các nhiệt độ 550 oC, 600 oC, 650 oC, 700 oC và 750 oC với thời gian 60 phút trong môi trƣờng khí Ar. Lực kháng từ (Hc), từ độ bão hòa (Ms) của băng thu đƣợc phụ thuộc vào nồng độ Al và điều kiện ủ. Với Hc > 8 kOe cho thấy tiềm năng ứng dụng của các hợp kim Mn-Ga-Al nhƣ một loại vật liệu từ cứng mới không có đất hiếm và định hƣớng ứng dụng trong nam châm tổ hợp. 3.1. Cấu trúc của băng hợp kim Mn65Ga20-xAl15+x Hình 3.1a cho thấy phổ nhiễu xạ của băng Mn65Ga20-xAl15+x (x = 0 và 5) với v = 20 m/s. (a) (b) Hình 3.1. Phổ nhiễu xạ tia X trước ủ nhiệt (a) và sau ủ nhiệt (b) của băng Mn65Ga20-xAl15+x (x = 0 và 5). Kết quả cho thấy rằng, các đỉnh nhiễu xạ xuất hiện bao gồm các pha MnAl, D022-Mn3Ga và D019-Mn3Ga. Tuy nhiên, các đỉnh nhiễu xạ của MnAl lại chiếm ƣu thế. Cƣờng độ đỉnh MnAl tăng lên khi nồng độ Al tăng lên. 24 Phổ nhiễu xạ của các băng hợp kim Mn65Ga20-xAl15+x (x = 0 và 5) ủ nhiệt ở 650 oC trong 1 giờ đƣợc trình bày trong hình 3.1b. Chúng ta có thể thấy cƣờng độ của các đỉnh MnAl giảm, trong khi đó số lƣợng đỉnh nhiễu xạ đặc trƣng cho pha Mn3Ga loại D022 tăng đáng kể sau khi ủ. Mặt khác, khi nồng độ Al tăng từ 0 đến 5, cƣờng độ của các đỉnh Mn3Ga loại D022 cũng tăng lên. Các nghiên cứu trƣớc đây đã chỉ ra rằng, sự hình thành của pha này tăng cƣờng cho tính chất từ cứng của vật liệu. Do đó, quá trình ủ nhiệt các mẫu băng Mn-Ga-Al là một phƣơng pháp có hiệu quả để đạt pha Mn3Ga loại D022. 3.2. Tính chất từ của băng hợp kim Mn65Ga20-xAl15+x -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 -12 -8 -4 0 4 8 12 x = 0 x = 5 M ( e m u /g ) H (kOe) Hình 3.2. Các đường từ trễ của các băng Mn65Ga20-xAl15+x (x = 0 và 5) chưa ủ nhiệt. Hình 3.2 trình bày các đƣờng từ trễ của các băng Mn65Ga20-xAl15+x (x = 0 và 5) chƣa ủ nhiệt. Có thể thấy rằng, các mẫu có tính chất từ mềm. Ở từ trƣờng từ hóa mẫu H = 12 kOe, từ độ bão hòa M12kOe tăng khi tăng nồng độ của x từ 0 đến 5. Tuy nhiên, lực kháng từ và từ độ bão hòa là khá nhỏ, dƣới 1 kOe và 0.6 emu/g. Sau khi ủ, lực kháng từ và từ độ bão hòa tăng đáng kể (hình 3.3). Hc tăng trên 10 kOe và từ hóa bão hòa vƣợt quá 45 emu/g. Phần khối lƣợng của pha Mn3Ga loại D022 tăng lên đáng kể sau quá trình ủ. Hơn nữa, từ độ bão hòa của mẫu Mn65Ga20-xAl15+x (x = 0, 5 và 10) phụ thuộc vào quá trình ủ nhiệt. 25 -60 -40 -20 0 20 40 60 -30 -20 -10 0 10 20 30 x = 0 x = 5 x =10 M ( e m u /g ) H (kOe) -60 -40 -20 0 20 40 60 -30 -20 -10 0 10 20 30 x = 0 x = 5 x =10 M ( e m u /g ) H (kOe) (a) (b) -60 -40 -20 0 20 40 60 -30 -20 -10 0 10 20 30 x = 0 x =5 x =10 M ( e m u /g ) H (kOe) -30 -20 -10 0 10 20 30 -30 -20 -10 0 10 20 30 x = 0 x = 5 x =10 M ( e m u /g ) H (kOe) (c) (d) -15 -10 -5 0 5 10 15 -30 -20 -10 0 10 20 30 x = 0 x = 5 x =10 M ( e m u /g ) H (kOe) (e) Hình 3.3. Đường cong từ trễ của băng Mn65Ga20-xAl15+x (x = 0, 5 và 10) ủ ở nhiệt độ khác nhau tại Ta = 550 (a), 600 (b), 650 (c), 700 (d) và 750 o C (e) trong khoảng thời gian ta = 1 giờ. 26 Hình 3.3 cho thấy nhiệt độ ảnh hƣởng rõ rệt đến tính chất từ của các băng hợp kim. Đƣờng cong từ trễ của tất cả các mẫu rất lớn sau khi ủ, ở tất cả các nhiệt độ đã chọn. Điều đó có nghĩa là pha gây ra tính chất từ cho vật liệu, đã đƣợc hình thành trong quá trình ủ. Kết quả làm tăng lực kháng từ và từ độ bão hòa của các băng hợp kim. 0 10 20 30 40 50 60 550 600 650 700 750 x = 0 x = 5 x = 10 T a ( o C) M s ( e m u /g ) 0 2 4 6 8 10 12 550 600 650 700 750 x = 0 x = 5 x = 10 H c ( k O e ) T a ( o C) (a) (b) Hình 3.4. Sự phụ thuộc của từ độ bão hòa Ms và lực kháng từ Hc vào nhiệt độ ủ của băng Mn65Ga20-xAl15+x (x = 0, 5 và 10). Hình 3.4a cho thấy từ độ bão hòa của các mẫu giảm với nồng độ Al tăng lên. Đối với mẫu với x = 5 và x = 10, từ độ bão hòa tăng khi tăng nhiệt độ ủ từ 550 o C đến 650oC. Từ độ bão hòa cao nhất thu đƣợc ở Ta = 650 o C (18.6 emu/g đối với x = 5 và 6.2 emu/g đối với x = 10). Nhiệt độ tăng lên đến 700 oC và 750 o C thì từ độ bão hòa không tăng thêm mà giảm đi. Tuy nhiên, xu hƣớng thay đổi từ độ bão hòa với x = 0 không giống nhƣ hai nồng độ trên. Từ độ bão hòa của mẫu x = 0 cao nhất với Ta = 550 o C (49 emu/g) và sau đó giảm nhanh chóng khi nhiệt độ nung tăng thêm. Từ hình 3.4b, chúng ta có thể thấy rằng lực kháng từ của các băng đƣợc tăng lên đáng kể khi nồng độ Al tăng từ x = 0 đến x = 5. Đồng thời, mỗi hợp kim có nồng độ Al khác nhau có nhiệt độ tối ƣu riêng. Lực kháng từ cao nhất cho mẫu có x = 10 đạt đƣợc ở nhiệt độ ủ tối 27 ƣu là 650oC. Các xu hƣớng biến thiên ngƣợc lại của lực kháng từ và từ độ bão hòa với x = 0 và x = 5 có thể đƣợc giải thích nhƣ sau. Khi lƣợng pha sắt từ Mn3Ga của loại D022 tăng lên, các pha phản sắt từ sẽ giảm đi dẫn đến sự gia tăng bão hòa. Điều đó có nghĩa là mật độ hạt sắt từ D022 loại Mn3Ga cao hơn và sự tƣơng tác trao đổi giữa các hạt sẽ mạnh hơn dẫn đến giảm lực kháng từ. Khi lƣợng pha sắt từ Mn3Ga của loại D022 giảm, sự từ hóa bão hòa giảm. Mặt khác, mật độ hạt sắt giảm và những hạt này bị cô lập dẫn đến sự gia tăng lực kháng từ. 28 KẾT LUẬN  Đã chế tạo đƣợc vật liệu từ cứng Mn-Ga-Al bằng phƣơng pháp nguội nhanh.  Kết quả thực nghiệm cho thấy với nồng độ thích hợp của Al và nhiệt độ ủ ảnh hƣởng đến tính chất từ cứng của hợp kim Mn-Ga-Al, độ từ hóa bão hòa tối ƣu thu đƣợc với mẫu x = 0, trong khi lực kháng từ có giá trị nhỏ nhất.  Ảnh hƣởng của nồng độ Al và quá trình ủ nhiệt đối với cấu trúc và tính chất từ của băng Mn65Ga20-xAl15+x (x = 0, 5 và 10) đã đƣợc khảo sát. Kết quả thu đƣợc độ từ hóa bão hòa và lực kháng từ đạt đƣợc tƣơng ứng trên 45 emu/g và 10 kOe. 29 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. J. B. Yang, W. B. Yelon, W. J. James, Q. Cai, M. Kornecki, S. Roy, N. Ali and PhI’Heritier (2002), "Crystal structure, magnetic properties and electronic structure of the MnBi intermetallic compound", J. Phys. Matter, 14, pp. 6509–6519. 2. J. B. Yang, W. B. Yelon, W. J. James, and Q. Cai, S. Roy a