Tài liệu Khoá luận tốt nghiệp vật lý Nghiên cứu chế tạo vật liệu từ cứng Mn-Bi bằng phương pháp nghiền cơ năng lượng cao

TRƯỜNG ĐẠI HỌC s u ' PHẠM HÀ NỘI 2 KHOA VẬT LÝ HOÀNG THỊ THƯ NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU TỪ CỨNG • • • Mn-Bi BẰNG PHƯƠNG PHÁP NGHIỀN C ơ NĂNG LƯỢNG CAO KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC • • • • C huyên ngành: V ật lý chất rắn HÀ NỘI - 2015 TRƯỜNG ĐẠI HỌC s ư PHẠM HÀ NỘI 2 KHOA VẬT LÝ HOÀNG THỊ THƯ NGHIÊN CỨU CHÉ TẠO VẬT LIỆU TỪ CỨNG Mn-Bi BẰNG PHƯƠNG PHÁP NGHIÈN C ơ NĂNG LƯỢNG CAO KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC • • • • Chuyên ngành: V ật lý chất rắn Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Nguyễn Huy Dân HÀ NỘI - 2015 LỜ I CẢM ƠN Trước hết tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành, sâu sắc tới PGS.TS. Nguyễn Huy Dân về sự hướng dẫn tận tình và hiệu quả. Thầy đã đã trang bị cho tôi những kiến thức, hỗ trợ kinh phí và những điều kiện cần thiết để hoàn thành khóa luận này. Tôi xin được cảm ơn NCS Nguyễn Mầu Lâm về sự giúp đỡ, cộng tác và truyền đạt những kinh nghiệm trong quá trình làm thực nghiệm để hoàn thành khóa luận. Tôi xin chân thành cảm ơn sâu sắc đến các thầy cô trong khoa Vật lý Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 và các thầy cô, anh chị trong Phòng thí nghiệm Trọng điểm Vật liệu và Linh kiện Điện tử, Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Tuy nhiên, đây là bước đầu làm quen với công tác nghiên cứu khoa học cũng như thời gian tiếp cận vấn đề còn hạn chế nên đề tài của tôi thực hiện chưa thực sự được như mong muốn. Vì vậy, tôi rất mong được sự góp ý của quý thầy cô và các bạn sinh viên để khóa luận của tôi được hoàn thiện hơn. Xin trân trọng cảm ơn! Hà Nội, thảng 05 năm 2015 Sinh viên Hoàng Thị Thư LỜI CAM ĐOAN Khóa luận tốt nghiệp; “Nghiên củu chế tạo vật liệu từ cúng M n-Bi bằng phương pháp nghiền cơ năng lượng cao” là kết quả nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của PGS.TS. Nguyễn Huy Dân. Khóa luận này không trùng với kết quả của các tác giả khác. Tôi xin cam đoan những điều trên đây là đúng sự thật, nếu sai tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm. Hà Nội, thảng 05 năm 2015 Sinh viên Hoàng Thị Thư MỤC LỤC MỞ ĐẦU...................................................................................................................... 1 1. Lý do chọn đề tài................................................................................................. 1 2. Mục đích nghiên cứu.......................................................................................... 2 3. Nhiệm vụ nghiên cứu.........................................................................................2 4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu..................................................................... 2 5. Phương pháp nghiên cún....................................................................................2 6. Ý nghĩa khoa học................................................................................................ 3 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU TỪ CỨNG M n-Bi..........................4 1.1. Lịch sử phát triển............................................................................................. 4 1.2. Cấu trúc và tính chất từ của vật liệu từ cứng M n-Bi..................................... 6 1.2.1. Cấu trúc tỉnh thế của M n-BỈ...................................................................6 ì .2.2. Tính chất t ừ .............................................................................................. 7 CHƯƠNG 2. KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM......................................................... 11 2.1. Phương pháp chế tạo mẫu.............................................................................. 11 2.1.1. Chế tạo mẫu k h ố i....................................................................................11 2.1.2. Tạo băng nguội nhanh...........................................................................13 2.1.3. Nghiền cơ năng lượng cao.....................................................................15 2.1.4. Ép mẫu..................................................................................................... 17 2.1.5. Xử lý nhiệt..............................................................................................18 2.2. Các phương pháp phân tích cấu trúc và tính chất từ................................... 19 2.2.7. Nhiễu xạ tia X ......................................................................................... 19 2.2.2. Các phép đo từ .......................................................................................20 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ PHÂN TÍCH VẬT LIỆU TỪ CỨNG M n-Bi............. 24 3.1. Kết quả phân tích tính chất từ của mẫuchưa xử lí nhiệt...........................24 3.2. Ket quả phân tích cấu trúc và tính chấttừ của mẫu đã xử lí nhiệt...........25 KẾT LUẬN...............................................................................................................31 TÀI LIỆU THAM KHẢO....................................................................................... 32 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Như chúng ta đã biết, từ nhũng năm trước công nguyên con người đã tìm ra vật liệu từ cứng dưới dạng các viên đá nam châm và được ứng dụng làm la bàn để xác định phương hướng. Ke từ đó đến nay chúng luôn giữ một vị trí quan trọng và được sử dụng như một vật liệu thiết yếu của cuộc sống, từ các thiết bị dân dụng không thể thiếu như biến thế điện, động cơ điện, máy phát điện cho đến các thiết bị công nghệ hiện đại như: máy tính, máy ghi âm, máy ghi hình, điện thoại... Tuy vậy ứng dụng của vật liệu từ không chỉ dừng lại ở đó, con người vẫn không ngừng nghiên cứu, chế tạo, tìm kiếm các vật liệu từ mới có nhiều ưu điểm để nâng cao phẩm chất và mở rộng phạm vi ứng dụng. Hiện nay, các vật liệu từ cứng cấu trúc nanomet được coi là một thế hệ mới của vật liệu từ, bởi chúng có tích năng lượng từ cực đại. Tuy nhiên đa phần các vật liệu từ cứng hiện nay đều chứa đất hiếm. Đất hiếm có giá thành rất đắt và chúng đang dần cạn kiệt. Chính vì vậy các nhà khoa học đang tìm cách là giảm nồng độ đất hiếm hoặc tạo các pha từ cứng mới không chứa đất hiếm. Một trong những hệ hợp kim không chứa đất hiếm được tập trung nghiên cứu là Mn-Bi. Hệ họp kim liên kim loại Mn-Bi có cấu trúc tinh thế kiếu lục giác, kết tinh hai pha: pha nhiệt độ thấp (LTP) và pha nhiệt độ cao (HTP), được biết đến với tính chất đặc biệt là lực kháng từ tăng khi nhiệt độ tăng. Giá trị từ độ đủ cao ở nhiệt độ phòng nên Mn-Bi là vật liệu có khả năng ứng dụng để làm nam châm vĩnh cửu, nam châm nanocomposite, hoạt động ở nhiệt độ cao. Theo kết quả tính toán bằng lí thuyết, tích năng lượng cực đại (BH)max = 16 MGOe, thực tế, nam châm vĩnh cỉru Mn-Bi ở nhiệt độ 400K có Hc = 20 kOe và (BH)max = 4,6 MGOe, còn tại nhiệt độ T = 300K có (BH)max = 7,7 MGOe, đây là giá trị lớn nhất từ trước đến nay. Ngoài ra, nghiên cún, chế tạo vật liệu từ cứng Mn-Bi sẽ hạ được giá thành sản xuất bởi đây là họp kim 1'ẻ tiền. Vật liệu từ cứng là một trong những vật liệu được quan tâm nghiên cứu rất nhiều từ trước đến nay kể cả về mặt ứng dụng cũng như cơ chế. Có rất nhiều 1 phương pháp đã được sử dụng để chế tạo vật liệu từ như phương pháp thiêu kết, phương pháp nguội nhanh, phương pháp nghiền cơ... Phương pháp nghiền cơ năng lượng cao cho phép tạo ra được họp kim mà không cần nấu chảy kim loại, như một số phương pháp thông thường khác. Cơ sở của phương pháp này là nghiền hỗn họp bột các kim loại thành phần theo một tỉ lệ xác định bằng máy nghiền năng lượng cao, nhờ động năng va chạm giữa cối và bi đế thúc đẩy quá trình khuếch tán giữa các hạt bột ở kích thước nanomet hoặc tạo ra phản ứng pha rắn hình thành nên hợp kim ở trạng thái vi hạt hoặc vô định hình như mong muốn. Đe thực hiện phương pháp này cần phải có máy nghiền chuyên dụng có thể tạo ra được động năng va chạm lớn giữa những viên bi và cối nghiền. Vật liệu chế tạo cối là vật liệu có độ cứng cao, dẫn nhiệt kém. Phương pháp nghiền cơ năng lượng cao có nhiều ưu điểm: Kĩ thuật xử lí đa dạng, đơn giản về kĩ thuật vận hành và tiết kiệm vật liệu. Ưu điểm lớn nhất của phương pháp này là tạo ra hợp kim mới từ những phần tử không thể trộn lẫn bằng phương pháp thông thường, bên cạnh đó phương pháp này có thế khống chế kích thước hạt và tạo ra cấu trúc vi mô đồng đều. Nhưng nhược điểm của nó là hủy cấu trúc vật liệu ban đầu và tạo pha không mong muốn trong quá trình nghiền. Việc khắc phục nhược điểm này là cần thiết hiện vẫn đang là vấn đề được quan tâm nghiên cún. Từ nhũng cơ sở trên và những đặc điểm thực tế về chuyên ngành được đào tạo, tôi đã lựa chon đề tài nghiên cứu: “Nghiên cửu chế tạo yật liệu từ cửng Mn-Bi bằng phương pháp nghiền cơ năng lượng cao”. 2. Mục đích nghiên cứu - Tìm hiểu tổng quan lý thuyết và thực nghiệm chế tạo vật liệu từ cứng Mn-Bi 3. Nhiệm yụ nghiên cứu - Tìm hiểu tổng quan về vật liệu từ cứng Mn-Bi - Chế tạo mẫu, đo đạc và phân tích kết quả 4. Đối tượng và phạm vi nghiên cún - H ệ vật liệu từ cứng Mn-Bi 5. Phương pháp nghiên cún 2 - Phương pháp thực nghiệm. 6. Ý nghĩa khoa học - Góp phần xây dựng công nghệ chế tạo vật liệu từ cứng Mn-Bi. - Là tài liệu tham khảo cho mọi người quan tâm đến lĩnh vực vật liệu tù’cứng. CÁU TRÚC LUẬN VĂN Ngoài phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo, luận văn được trình bày gồm 3 chương: Chương 1. Tống quan về yật liệu từ cứng Mn-Bi 1.1. Lịch sử phát triển. 1.2. Cấu trúc và tính chất từ của vật liệu từ cứng Mn-Bi. Chương 2. Kỹ thuật thực nghiệm 2.1. Phương pháp chế tạo mẫu. 2.2. Các phương pháp phân tích cấu trúc và tính chất từ. Chương 3. Kết quả phân tích vật liệu từ cứng Mn-Bi 3.1. Ket quả phân tích tính chất từ của mẫu chưa xử lí nhiệt. 3.2. Kết quả phân tích cấu trúc và tính chất từ của mẫu đã xử lí với các nhiệt độ khác nhau. KẾT LUẬN TÀI LIỆU THAM KHẢO 3 CHƯƠNG 1 TÓNG QUAN VỀ VẶT LIỆU TÙ CỨNG Mn-Bi 1.1. Lịch sử phát triển Vật liệu từ cứng hay nam châm vĩnh cửu đã được phát hiện và sử dụng từ rất lâu, đầu tiên chỉ là loại quặng ôxit sắt Fe30 4, có trong tự nhiên với tên gọi “lode stone”. Sau khoảng thời gian dài, qua nhiều thế kỉ, đến năm 1740, nam châm vĩnh cửu đầu tiên được chế tạo với tích năng lượng cực đại khá thấp (BH)max = lMGOe, do đó, cần phải dùng một lượng lớn vật liệu mới tạo ra được nam châm có lực hút đủ mạnh. Do nhu cầu thiết yếu của nam châm vĩnh cửu, đã thúc đẩy và đòi hỏi các nhà khoa học tìm kiếm các pha từ cứng mới, nghiên cứu cải tiến công nghệ năng cao phẩm chất từ các vật liệu từ của vật liệu cứng đã có. Thế kỉ 20 đánh dấu sự phát triển vượt bậc trong lĩnh vực này, cứ sau 20 năm, giá trị (BH)max của nam châm vĩnh cửu tăng gấp 3 lần [5]. 4 00- -50 320- -4 0 S rrtjiC o-F e-C u-Zr)^ b>rn2(C o-l-e-C u)17i SrrvPr-Co5 Sintered SmCo, 160- KS-Steel 1920 MK-Steel Ỹ* 1930 -20 Columnar AlnicoTo.. Alnico 5 f^ J S rrC u s f “-------------- fi M Co-Ferritel 1940 1950 1960 1970 198: 1990 N ãm Hình 1.1. Sự phát triến của nam châm vĩnh cửu trong thế kỷ 20 [5]. Năm 1917, nam châm thép côban được phát minh ở Nhật, đến năm 1931 họ nam châm AlNiCo được Mishima (Nhật Bản) chế tạo và được sử dụng rộng rãi. Lúc đầu, (BH)max của nam châm AlNiCo cũng chỉ đạt cỡ 1 MGOe. Bằngcách thay đổi công nghệ chế tạo, (BH)max của vật liệu này dần được nâng cao. Đến năm 1956, hợp kim AlNiCoc; có (BH)max đã đạt tới 10 MGOe, nhờ có nhiệt độ Curie cao (850°C) nên hiện nay nam châm này vẫn được chế tạo và sử dụng. 4 Vào những năm đầu thập niên 50, vật liệu ferit từ cứng tổng họp được khám phá bởi công ty Philip, Hà Lan, đây là vật liệu có cấu tróc lục giác với công thức hóa học là MFe12Oị9 (M là Ba, Sr, Pb hoặc tổ họp của chúng). Tuy có (BH)max không lớn (~ 5 MGOe), nhưng ngày nay nam châm này là vật liệu được sử dụng nhiều nhất, chiếm khoảng 50% tổng giá trị nam châm vĩnh cửu của toàn thế giới, do chúng có ưu điếm là giá thành rất 1'ẻ và bền. Thập niên 60 của thế kỉ 20 đánh dấu bước đột phá trong lịch sử phát triển của vật liệu từ cứng, năm 1966, nhóm nghiên cún của Karl Stmat (đại học tổng họp Dyton, Ohio, Mỹ) phát hiện ra hợp kim YCo5, đó là sự kết họp giữa các nguyên tố 3d của kim loại chuyển tiếp có từ độ bão hoà và nhiệt độ chuyển pha Curie (Tc) cao, với các nguyên tố 4f có tính dị hướng từ tinh thể mạnh cho lực kháng từ Hc lớn. Vật liệu SmCc>5 có khả năng chế tạo nam châm vĩnh cửu có năng lượng 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 nhũng năm 1970, Côban trở nên khá đắt đỏ, nguồn cung cấp nguyên liệu không ổn định, do đó, các nghiên cún nhằm thay thế côban cũng như tìm ra vật liệu tù’cứng mới được 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 NdgFe77B 5 có (BH)max ~ 36,2 MGOe. Cũng năm đó, Croat và cộng sự ở công ty General Motors (Mỹ) bằng phương pháp phun băng nguội nhanh đã chế tạo được vật liệu từ cứng có thành phần Nd2Fei4B có tích năng lượng cực đại (BH)max ~14 MGOe. Đen nay bằng phương pháp thiêu kết, một số phòng thí nghiệm trên thế giới đã chế tạo được vật liệu từ Nd2Fe14B có (BH)max~ 57 MGOe. Đen năm 1988, Coehoom 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 tù’ mềm Fe3B (73% thể tích), a-Fe (12% thể tích) và pha từ cứng Nd2Fei4B (15% thể tích). Vật liệu tù’ cứng loại này 5 được gọi là vật liệu nanocomposite, tuy (BH)max chưa cao nhưng vật liệu này này có thể tạo ra được những loại nam châm kết dính có kích thước và hình dạng phức tạp mà các phương pháp khác không thể tạo ta được. Vật liệu từ cứng có phẩm chất từ tốt được tìm ra ở những năm cuối của thế kỉ 20 chứa một lượng đất hiếm không nhỏ vì vậy giá thành của nam châm tăng lên đáng kể, bên cạnh đó việc khai thác đất hiếm gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng do phải sử dụng hóa chất dùng trong khai thác và tinh luyện các nghuên tố đất hiếm. Vào những năm gần đây, do khủng hoảng về đất hiếm nên các nhà khoa học tập trung vào hướng nghiên cún chế tạo các vật liệu từ cứng chứa ít và không chứa đất hiếm nhằm đáp ứng ứng dụng và giảm giá thành. Trong các hệ vật liệu từ cứng, hệ Mn-Bi thể hiện phẩm chất và ưu điểm từ cứng nổi bật được biết đến như giá thành rẻ, phẩm chất từ đáp úng được ứng dụng trong thực tế và một ưu điểm nổi trội hơn so với các hệ vật liệu từ cứng khác là có lực kháng từ tăng theo nhiệt độ. Chính vì vậy hệ vật liệu từ cứng Mn-Bi đang được các nhà khoa học và các phòng thí nghiệm tập trung nghiên cún đặc biệt là Mỹ và Nhật. Hiện nay tại Việt Nam, Viện Khoa học vật liệu có 2 nhóm nghiên cún bên cạnh đó còn có nhóm nghiên cún về vật liệu từ của Trường Đại học Khoa học tụ’ nhiên, Đại học Quốc gia cũng đang nghiên cún và chế tạo vật liệu từ cúng Mn-Bi. 1.2. Cấu trúc và tính chất từ của yật liệu từ cứng Mn-Bi 1.2.1. Cấu trúc tình thể của Mn-BỈ Hợp kim Mn-Bi có cấu trúc tinh thể kiểu NiAs, hai trục tạo với nhau một góc 120° và trục thứ ba (trục c) vuông góc với cả hai trục kia, tham số đặc trưng của ô cơ sở là a = b = 4,2827Â và с = 6,1103Â, thuộc nhóm không gian P63/mmc. Mn-Bi kết tinh hai pha, pha nhiệt độ thấp và pha nhiệt độ cao. Cấu trúc tinh thể của hợp kim Mn-Bi ở pha nhiệt độ thấp có các nguyên tử Mn chiếm ở vị trí các đỉnh và trung điểm các cạnh, còn nguyên tử Bi nằm xen kẽ [1]. 6 Hình 1.2. Cấu trúc tinh thế của hợp kim Mn-BỈ (LTP) [1 ], [6]. Các hằng số mạng tinh thể và thể tích tăng theo sự tăng của nhiệt độ, tỉ lệ các tham số mạng c/a của tinh thể Mn-Bi đạt giá trị lớn nhất 1,43346 tại 600K, khoảng cách Mn-Mn của hợp kim gần nhất là trong khoảng 3,0381Ả - 3,0825 Ả, lớn hơn rất nhiều so với các nguyên tố Mn (2,754Ả) [14]. 1.2.2. Tính chất từ Họp kim Mn-Bi gồm nguyên tố Mn có cấu hình điện tử 3d54s2 và nguyên tố Bi có cấu hình 6s26p3, do đó nguồn gốc từ tính là tương tác trao đổi giữa các điện tử của lớp vỏ chưa lấp đầy. Ở trạng thái kim loại, khoảng cách giữa các nguyên tử Mn nhỏ (2,754Ả) nên tích phân trao đổi E < 0, Mn là chất phản sắt từ; khi Mn kết họp với Bi thành MnBi, các nguyên tử Bi nằm xen kẽ với các nguyên tử Mn (hình 1.3), làm cho khoảng cách giữa các nguyên tử Mn tăng lên đủ xa nhau để E > 0, hợp kim Mn-Bi trở thành vật liệu sắt từ. Điều này giải thích dựa vào đường cong Bethe - Slater, đường cong mô tả sự phụ thuộc của tích phân trao đổi E vào khoảng cách giữa các nguyên tử (tức là phụ thuộc vào tỉ số a/r với a là hằng số mạng và r là bán kính hiệu dụng của lớp vỏ điện tích) [1 ]. 7 Ạ E Co aF e /ĩF e ỷ Mn i Cr tttt utị Ni a /r Hình 1.3. Đưòng cong Bethe - Slater. - Lực kháng từ: Hợp kim Mn-Bi là vật liệu sắt từ, nhiệt độ chuyển pha Tc = 630K, có trục c là trục dễ từ hóa, nguyên tử Mn có momen từ lớn 3.6juB và đồng thời sở hữu dị hướng từ tinh thể cao (K = 1,6xl06 J/m3) ở 300K, nên Mn-Bi có lực kháng từ lớn, với kích thước đơn đomen, lực kháng từ Hc = 2K/MSdự kiến là khoảng 50 kOe [5], [14]. Đặc biệt, các thuộc tính cấu trúc và tính chất từ của Mn-Bi (LTP) trong khoảng 300K - 700K rất hấp dẫn, trong khoảng nhiệt độ 150K - 550K, lực kháng từ Hc tăng theo sự tăng của nhiệt độ. T (K ) Hình 1.4. Sự phụ thuộc của lực kháng từ vào nhiệt độ của Mn-BỈ [6]. Lực kháng từ đạt cực đại 25 kOe tại 540K và sau đó giảm dần xuống 18 kOe ở 610K, điều này khá lí thú cho các ứng dụng ở nhiệt độ cao [1], [6], [14]. 8 Sự biến thiên của lực kháng từ theo nhiệt độ là do sự thay đổi của dị hướng từ tinh thể, đối với Mn-Bi ở pha nhiệt độ thấp, tương tác spin - quỹ đạo đóng vai trò mấu chốt trong dị hướng từ. Dị hướng từ phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ: giảm khi nhiệt độ T giảm và có xu hướng chuyên thành dị hướng mặt phang ở nhiệt độ T = 84K [1]. -T ừ độ bão hòa: Theo lí thuyết sóng spin của Block thì sự phụ thuộc nhiệt độ từ hóa của từ độ bão hòa ở nhiệt độ thấp tĩnh theo công thức: Is = Io( 1- ocT3'2 Trong đó a phụ thuộc vào loại mạng và tích phân trao đổi, lo là từ độ tại 0 K. Thực tế, từ độ phụ thuộc nhiệt độ của Mn-Bi là rất phức tạp, nó liên quan đến chuyển pha từ, cấu trúc kim loại ở vùng nhiệt độ thấp và chuyển pha từ ở vùng nhiệt độ cao [1]. — V— 0 350 K — •-----4 00 K E - ---------------■---------------------1----------------- ■------------------------ 1-------------------------------------------------■-------------------------1---------------------------------■---------------------------------1--------------------------------- 10 20 30 40 H ( kO e ) Hình 1.5. Đưòng cong từ hóa của Mn-Bi ở nhiệt độ khác nhau (magnetization: từ độ) [6]. Kết quả khảo sát của J.B. Yang và các cộng sự (hình 1.5) [6], nhóm của J. Cui [5], cho thấy rằng, ở pha nhiệt độ thấp, Mn-Bi có độ từ hóa không cao lắm, tại nhiệt độ phòng, từ độ bão hòa chỉ khoảng 75 emu/g và đạt cực đại trong khoảng 80 - 82 emu/g ở nhiệt độ 10 - 80 K. 9 - Tích nãng lượng cực đại (BH)max: Theo tính toán lí thuyết, tích năng lượng cực đại (BH)max = Ms2/4 vào khoảng 17,6 MGOe, thực tế, Mn-Bi đơn pha có thể vượt quá 10 MGOe [6]. Việc đẩy mạnh nghiên cứu của các nhóm làm giá trị (BH)max của Mn-Bi liên tục được nâng cao. Năm 2002, theo báo cáo của giáo sư Yang, nam châm này ở nhiệt độ 400K đã thu được lực kháng từ Hc = 2T và (BH)max = 4,6 MGOe và tại nhiệt độ 300K có (BH)max = 7,7 MGOe [1], [6]. Năm 2013, nhóm của Rao công bố kết quả (BH)max = 9 MGOe. Gần đây, năm 2014, J. Cui và cộng sự công bố kết quả, đối với mẫu bột nghiền bi trong 2,5 giờ, ép trong từ trường 10T là (BH)max = 1l,95MGOe. 10 CHƯƠNG 2 KỸ THUẬT THỤC NGHIỆM 2.1. Phương pháp chế tạo mẫu. 2 ././. Chế tạo mẫu khối Vật liệu dùng chế tạo mẫu là các nguyên tố Mn và Bi có độ tinh khiết cao (99,9%) được cân đúng theo hợp phần mẫu Mni()0-xBix (x = 48, 50, 52). Khối lượng thành phần các nguyên tố trong họp kim được tính toán để tạo ra được mỗi mẫu có khối lượng 15 g. Nhưng do Mn bay hơi mạnh ở nhiệt độ cao khi nấu mẫu nên phải bù thêm 15% khối lượng để đảm bảo hợp phần của mẫu. Hỗn họp các kim loại của mẫu được nấu chảy thành họp 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 MnBi. Sơ đồ khối của hệ nấu mẫu bằng hồ quang được biếu diễn trên hình 2.1, hình 2.2 là ảnh của toàn hệ nấu hồ quang và ảnh bên trong buồng nấu mẫu. Nước ĐLêa cưc o laah. Cầa Lật mẫu Khôag khí Ac Bơm cliâti Jk±Lôag Nước lìmi Ti. Mẫu <$> íaatL Hình 2.1. Sơ đổ khối của hệ nấu mâu bằng hồ quang. 11 Hình 2.2. Hệ nấu hợp kim hồ quang (1) Bom chân không (5) Nguồn điện, (2) Buồng nấu (3) Tủ điều khiến (6) Cần điện cực (7) Nồi nấu (4) Bình khỉ trơ (Ar) (8) cần lật mâu Toàn bộ quá trình chế tạo mẫu khối bằng phương pháp nấu hồ quang được thực hiện trong môi trường khí trơ argon để tránh sự ôxi hoá, cụ thể tùng bước như sau: - Làm sạch nồi nấu, buồng tạo mẫu. - 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. - Mở nước làm lạnh cho nồi nấu, điện cực, máy cấp nguồn và vỏ buồng nấu mẫu. - 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. Neu 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 12 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. - Nấu mẫu: bật nguồn phát để lấy hồ quang điện, khi lấy hồ quang phải để d ò n g n h ỏ , k h ô n g đ ể đ iệ n c ự c â m c h ạ m v à o k h u ô n c ó th ể g â y b ụ c n ồ i lò , sa u đ ó ta phải tăng dòng điện từ từ, cho ngọn lửa dọi 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. Mầu được lật và nấu khoảng 5 - 6 lần để các kim loại nóng chảy hoàn toàn và hòa trộn với nhau tạo thành họp kim. 2.1.2. Tạo băng nguội nhanh Phương pháp tạo băng nguội nhanh thường được dùng để tạo hợp kim vô định hình. Nguyên tắc chung là dùng một môi trường lạnh thu nhanh nhiệt của hợp kim nóng chảy, do bị làm nguội nhanh họp kim vẫn giữ nguyên trạng thái cấu trúc như chất lỏng (vô định hình). Phương pháp phổ biến hiện nay là phun hợp kim nóng chảy lên tang của một trống đồng quay nhanh. Sơ đồ khối của công nghệ nguội nhanh được mô tả trên hình 2.3, băng nguội nhanh được tạo bằng thiết bị ZKG-1 (hình 2.4), vận tốc dài của trống quay trong thiết bị có thể thay đổi từ 5 đến 48 m/s. Đặt họp kim vào trong ống thạch anh có đường kính trong đầu vòi khoảng 0,5 mm và được đặt gần sát bề mặt trống đồng. Họp kim được làm nóng chảy bằng dòng cảm ứng cao tần, sau đó được nén bởi áp lực của dòng khí trơ Argon và chảy qua đầu vòi, phun lên mặt trống đồng đang quay. Giọt họp kim được giàn mỏng và bám lên mặt trống đồng trong thời gian rất ngắn, nhiệt độ hợp kim giảm từ nhiệt độ nóng chảy xuống nhiệt độ phòng Tốc độ làm nguội của họp kim phụ thuộc vào tốc độ quay của trống đồng. Tốc độ chảy của dung dịch nóng chảy phụ thuộc vào kích thước vòi phun và áp 13 suất khí nén. Hợp kim lỏng bị đông cứng lại khi tiếp xúc với trống đồng, sau đó văng khỏi mặt trống. Hình 2.3. Sơ đồ khối của hệ phun băng nguội nhanh đơn trục. Một số lun ý khi thực nghiệm + Buồng tạo băng phải được vệ sinh sạch sẽ trước khi phun, hợp kim được đánh sạch xỉ trước khi cho vào ống thạch anh. + Be mặt trống đồng phải được vệ sinh sạch, đạt độ nhẵn, độ bóng cao để đảm bảo họp 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. 14