Nghiên cứu ảnh hưởng của tỉ phần các nguyên tố và công nghệ chế tạo lên cấu trúc và tính chất từ của VLTC nanocomposite nd fe b

Nghiên cứu ảnh hưởng của tỉ phần các nguyên tố và công nghệ chế tạo
lên cấu trúc và tính chất từ của VLTC nanocomposite Nd-Fe-B
MỞ ĐẦU
Vật liệu từ cứng (VLTC) là vật liệu có khả năng tích trữ năng lượng
của từ trường tác động lên nó và trở thành nguồn phát từ trường. Khả năng
tích trữ năng lượng đó được đặc trưng bằng đại lượng tích năng lượng cực đại
(BH)
max
của vật liệu. VLTC được ứng dụng từ rất lâu và trong rất nhiều lĩnh
vực của cuộc sống: Kim la bàn, cửa tủ lạnh, ổ cứng máy tính, mô tơ, máy phát
điện, máy tuyển quặng, thiết bị khoa học kỹ thuật, thiết bị y tế… Tiềm năng
ứng dụng lớn đã thúc đẩy sự tìm kiếm vật liệu mới và công nghệ chế tạo mới,
nhằm tạo ra những vật liệu có tính chất từ tốt hơn đáp ứng được các yêu cầu
của cuộc sống hiện đại. Một trong các VLTC được các nhà khoa học quan tâm
nghiên cứu nhiều hiện nay là vật liệu nanocomposite nền Nd-Fe-B.
VLTC nanocomposite nền Nd-Fe-B bao gồm các pha từ mềm (Fe
3
B, α-
Fe) và pha từ cứng (Nd
2
Fe
14
B) có kích thước nanomet [25]. Ở kích thước này,
hiệu ứng tương tác trao đổi đàn hồi giữa pha từ cứng và pha từ mềm cho phép
khai thác được cả từ độ bão hòa lớn của pha từ mềm và lực kháng từ cao của
pha từ cứng, để tạo nên một vật liệu có tích năng lượng (BH)
max
lớn. Loại vật
liệu này có thể chỉ cần một lượng Nd bằng khoảng 1/3 so với nam châm thiêu
kết Nd
2

Fe
14
B thông thường, nên làm tăng độ bền cơ học, hóa học và giảm
đáng kể giá thành. Mặt khác, công nghệ chế tạo cũng đơn giản hơn và dễ dàng
tạo được nam châm có hình dạng phức tạp theo yêu cầu. Với những ưu điểm
đó, nó được nhiều phòng thí nghiệm quan tâm nghiên cứu, nên tốc độ tăng
trưởng hàng năm khoảng 20% cao hơn cả tốc độ tăng trưởng của nam châm
thiêu kết [56]. Tuy nhiên, VLTC nanocomposite nền Nd-Fe-B vẫn còn một số
yếu điểm cần được khắc phục như lực kháng từ H
c
chưa cao, tích năng lượng
cực đại (BH)
max
thực tế nhỏ hơn 20 MGOe còn cách xa giới hạn lý thuyết
(theo lý thuyết (BH)
max
đạt trên 100 MGOe), nhiệt độ Curie thấp và công nghệ
chế tạo chưa ổn định. Điều đó đặt ra là làm cách nào để nâng cao được tính
chất từ và ổn định công nghệ chế tạo vật liệu.
1
Nghiên cứu ảnh hưởng của tỉ phần các nguyên tố và công nghệ chế tạo
lên cấu trúc và tính chất từ của VLTC nanocomposite Nd-Fe-B
Tính chất từ của VLTC nanocomposite nền Nd-Fe-B được quyết định
rất nhiều bởi kích thước hạt, dạng hạt, sự phân bố hạt trong vật liệu và bản
chất pha từ của hạt. Cấu trúc lý tưởng của các VLTC này là các pha từ mềm
nằm xen kẽ, bao bọc các pha từ cứng một cách đồng đều. Tuy vậy, để chế tạo
được vi cấu trúc như vậy là điều không dễ dàng. Tính chất từ của VLTC
nanocomposite nền Nd-Fe-B còn phụ thuộc vào bản chất của các pha từ thành
phần (từ độ bão hòa, dị hướng từ tinh thể…). Hiện nay, có hai hướng nghiên
cứu chính nhằm cải thiện cấu trúc, nâng cao phẩm chất của vật liệu: một là bổ

sung vào hợp kim nền Nd-Fe-B một số nguyên tố khác với mục đích thay đổi
tính chất từ nội tại của vật liệu hoặc cải thiện vi cấu trúc [14], [15], [20], [47];
hai là thay đổi điều kiện công nghệ chế tạo để tạo ra vi cấu trúc và thành phần
pha của vật liệu như mong muốn [16], [32], [38], [44], [69], [70], [91].
Từ những lý do trên chúng tôi đã chọn đề tài nghiên cứu của luận án
là: Nghiên cứu ảnh hưởng của tỉ phần các nguyên tố và công nghệ chế
tạo lên cấu trúc và tính chất từ của VLTC nanocomposite Nd-Fe-B.
Đối tượng nghiên cứu của luận án:
VLTC nanocomposite (Nd,Pr,Dy)-(Fe,Co)-Nb-B.
Mục tiêu nghiên cứu của luận án:
Nâng cao chất lượng và hoàn thiện công nghệ chế tạo vật liệu từ cứng
nanocomposite Nd-Fe-B, bằng cách thay đổi hợp phần và khảo sát mối liên
hệ giữa cấu trúc và tính chất của chúng.
Phương pháp nghiên cứu:
Luận án được tiến hành bằng phương pháp thực nghiệm. Các mẫu
nghiên cứu được chế tạo bằng phương pháp phun băng nguội nhanh và nghiền
cơ năng lượng cao. Nghiên cứu cấu trúc của mẫu bằng các kỹ thuật nhiễu xạ
tia X và hiển vi điện tử. Tính chất từ của vật liệu được khảo sát bằng các phép
đo từ trễ và từ nhiệt. Các nam châm kết dính được chế tạo theo quy trình công
nghệ ép nguội và ép nóng.
2
Nghiên cứu ảnh hưởng của tỉ phần các nguyên tố và công nghệ chế tạo
lên cấu trúc và tính chất từ của VLTC nanocomposite Nd-Fe-B
Ý nghĩa khoa học của luận án:
Các kết quả nghiên cứu của luận án đã xây dựng được bức tranh tương
đối hoàn thiện về ảnh hưởng của hợp phần và các điều kiện công nghệ chế
tạo lên cấu trúc và tính chất từ của VLTC nanocomposite Nd-Fe-B. Mặt
khác, đề tài có ý nghĩa khoa học cao trong việc ứng dụng các hiệu ứng vật lý
ở kích thước nanomet cho việc tạo ra các loại vật liệu từ tiên tiến.
Nội dung của luận án bao gồm:

(i) Thêm vào hợp kim Nd-Fe-B một số nguyên tố (Pr, Dy, Nb, Co)
để tăng cường được các tham số từ cứng như lực kháng từ, tích
năng lượng cực đại và nhiệt độ Curie T
C
,

đồng thời làm ổn định
công nghệ chế tạo vật liệu.
(ii) Nghiên cứu ảnh hưởng của tỉ phần các nguyên tố và công nghệ
chế tạo lên cấu trúc và tính chất từ của VLTC nanocomposite
Nd-Fe-B.
(iii) Nghiên cứu chế tạo vật liệu nanocomposite Nd-Fe-B bằng cả hai
phương pháp: nguội nhanh và nghiền cơ năng lượng cao.
(iv) Nghiên cứu ảnh hưởng tương hỗ giữa các điều kiện chế tạo để
đưa ra công nghệ chế tạo tối ưu.
(v) Thử nghiệm chế tạo nam châm đàn hồi Nd-Fe-B bằng phương
pháp ép nguội và ép nóng.
Bố cục của luận án:
Nội dung chính của luận án được trình bày trong 4 chương. Chương
đầu là phần tổng quan về VLTC nanocomposite Nd-Fe-B. Chương tiếp theo
trình bày các kỹ thuật thực nghiệm về phương pháp chế tạo mẫu và các phép
đo đặc trưng cấu trúc và tính chất của vật liệu, cách tính đại lượng (BH)
max
và
sai số trong các phép đo. Hai chương cuối trình bày các kết quả nghiên cứu
đã thu được, bàn luận về ảnh hưởng của hợp phần và các yếu tố công nghệ
lên cấu trúc và tính chất từ của vật liệu nanocomposite Nd-Fe-B.
3
Nghiên cứu ảnh hưởng của tỉ phần các nguyên tố và công nghệ chế tạo
lên cấu trúc và tính chất từ của VLTC nanocomposite Nd-Fe-B

Kết quả chính của luận án:
Đã khảo sát một cách hệ thống ảnh hưởng của các nồng độ đất hiếm từ
nhỏ (RE = 4%) đến lớn (RE = 12%) và ảnh hưởng của các nguyên tố pha
thêm Nb, Co, Pr và Dy lên cấu trúc và tính chất từ của vật liệu
nanocomposite Nd-Fe-B.
Đã xây dựng được quy trình công nghệ tương đối hoàn thiện để chế
tạo được VLTC nanocomposite Nd-Fe-B có chất lượng tốt, có thể đưa vào
ứng dụng thực tế.
Luận án được thực hiện tại Phòng thí nghiệm Trọng điểm về Vật liệu
và Linh kiện Điện tử và Phòng Vật lý Vật liệu Từ và Siêu dẫn, Viện Khoa
học Vật liệu, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU TỪ CỨNG NANOCOMPOSITE
Nd-Fe-B
1.1. Lịch sử phát triển của vật liệu từ cứng
VLTC đã được tìm thấy và ứng dụng từ rất lâu, nhưng phải đến thế kỷ XX
thì VLTC mới thực sự được nghiên cứu và ứng dụng nhiều. Đầu tiên là vật liệu
thép kỹ thuật có (BH)
max
∼ 1 MGOe. Tiếp theo là vật liệu Alnico và ferit từ cứng
có (BH)
max
~ 5 MGOe được chế tạo. Việc tìm ra VLTC chứa đất hiếm là một
bước tiến quan trọng trong quá trình phát triển VLTC. VLTC chứa đất hiếm chủ
yếu là SmCo
5
có (BH)
max
> 20 MGOe, Sm
2
Co

17
có (BH)
max
> 30 MGOe và
Nd
2
Fe
14
B có (BH)
max
> 50 MGOe. Vật liệu từ cứng nanocomposite Nd-Fe-B,
tổ hợp của pha từ cứng Nd
2
Fe
14
B và hai pha từ mềm α-Fe, Fe
3
B được chế tạo
vào năm 1988. Loại vật liệu này đang được quan tâm nghiên cứu vì khả năng
ứng dụng lớn và có thể nâng cao hơn nữa tích năng lượng (BH)
max
. Theo tính
toán trong lý thuyết vật liệu này có thể cho (BH)
max
> 100 MGOe.
1.2. Cấu trúc và tính chất từ của vật liệu từ cứng Nd
2
Fe
14
B

1.2.1. Cấu trúc tinh thể
4
Nghiên cứu ảnh hưởng của tỉ phần các nguyên tố và công nghệ chế tạo
lên cấu trúc và tính chất từ của VLTC nanocomposite Nd-Fe-B
Hợp kim Nd
2
Fe
14
B thuộc nhóm không gian P4
2
/mnm, có cấu trúc tinh
thể tứ giác với hằng số mạng a = 0,878 nm và c = 1,220 nm, khối lượng
riêng 7,55 g/cm
3
. Cấu trúc tinh thể Nd
2
Fe
14
B ổn định nhờ nguyên tử B kết
hợp với 6 nguyên tử Fe tạo thành một hình lăng trụ đáy tam giác và các lăng
trụ này lại được nối với nhau bởi các lớp Fe. Cấu trúc tinh thể ổn định cùng
với độ bất đối xứng rất cao tạo nên tính từ cứng mạnh cho vật liệu.
1.2.2. Tính chất từ
Pha Nd
2
Fe
14
B có dị hướng từ tinh thể K
1
= 4,9.10

6
J/m
3
, từ độ bão hòa
μ
0
M
s
= 1,61 T và nhiệt độ Curie T
C
= 585 K (312
o
C).
1.3. Phân loại vật liệu từ cứng Nd-Fe-B
1.3.1. Nam châm thiêu kết Nd-Fe-B
Trong nam châm thiêu kết các hạt từ kích thước vài micromet được liên
kết nhau bởi một pha phi từ giàu Nd ở biên hạt. Vật liệu này có tính dị hướng
cao, có tích năng lượng cực đại (BH)
max
lớn, (BH)
max
∼ 57 MGOe và có lực
kháng từ lớn H
c
∼ 10 ÷ 25 kOe.
1.3.2. Nam châm kết dính Nd-Fe-B
Trong nam châm kết dính các hạt bột sắt từ Nd-Fe-B được liên kết với
nhau bởi chất kết dính hữu cơ. Đáng chú ý là nam châm kết dính đàn hồi hay
còn gọi là vật liệu nanocomposite. Vật liệu này có vi cấu trúc ở kích thước
nanô nên chúng có những tính chất mới mà ở kích thước thông thường

không thể có được nên làm tăng phẩm chất từ của vật liệu.
1.4. Cấu trúc và tính chất của vật liệu nanocomposite Nd-Fe-B
1.4.1. Cấu trúc của vật liệu nanocomposite Nd-Fe-B
Vật liệu nanocomposite là vật liệu tổ hợp hai pha cứng mềm ở kích
thước nanomet. Với cấu trúc nano, các hạt từ cứng (Nd
2
Fe
14
B) liên kết với
các hạt từ mềm (α-Fe, Fe
3
B) thông qua tương tác trao đổi đàn hồi. Nhờ vậy
đã kết hợp được ưu điểm từ độ bão hòa cao của pha từ mềm và tính dị hướng
từ lớn của pha từ cứng để tạo ra vật liệu có (BH)
max
cao.
5
Nghiên cứu ảnh hưởng của tỉ phần các nguyên tố và công nghệ chế tạo
lên cấu trúc và tính chất từ của VLTC nanocomposite Nd-Fe-B
1.4.2. Tính chất của vật liệu nanocomposite Nd-Fe-B
Lực kháng từ và độ vuông đường trễ của vật liệu này phụ thuộc vào vi
cấu trúc. Lực kháng từ thay đổi trong khoảng khá rộng từ cỡ 2 kOe đến 15
kOe và tích năng lượng từ cực đại thay đổi trong khoảng từ vài MGOe đến
20 MGOe. Nhiệt độ Curie của vật liệu này được quyết định bởi pha từ cứng
Nd
2
Fe
14
B (~ 585 K).
1.5. Một số mô hình lý thuyết cho vật liệu từ cứng nanocomposite Nd-

Fe-B
1.5.1. Mô hình E. F. Kneller và R. Hawig (K-H)
Đây là mô hình đơn giản mà lại khá phù hợp với thực nghiệm. Kết quả
tính toán cho thấy, để phát huy tương tác trao đổi giữa hai pha từ cứng và từ
mềm, các hạt tinh thể của cả hai pha có kích thước khoảng 10 nm và phân
tán đồng đều với tỉ phần thể tích pha từ cứng có thể giảm xuống tới 9% thể
tích vật liệu.
1.5.2 . Một số mô hình khác
Một số các lý thuyết như của R. Skomski, J. M. D. Coey, Schreft và
Fisher có các ưu nhược điểm khác nhau và thường được áp dụng cho các trường
hợp cụ thể của vật liệu. 1.6. Các phương pháp chế tạo vật liệu từ cứng
nanocomposite Nd-Fe-B
1.6.1. Phương pháp phun băng nguội nhanh
Nguyên tắc của phương pháp phun băng nguội nhanh là sử dụng năng
lượng của dòng cảm ứng để năng lượng hóa vật liệu. Sau đó vật liệu được
phun lên bề mặt trống quay nhẵn bóng đã được làm lạnh bởi dòng nước
chảy ngầm bên trong, để tạo ra các băng hợp kim nguội nhanh có cấu trúc
VĐH hoặc nano tinh thể.
1.6.2. Phương pháp nghiền cơ năng lượng cao
Nghiền cơ năng lượng cao (NCNLC) là kỹ thuật sử dụng động năng của
các viên bi năng lượng hóa vật liệu (dựa trên sự va đập các bi thép cứng vào vật
6
Nghiên cứu ảnh hưởng của tỉ phần các nguyên tố và công nghệ chế tạo
lên cấu trúc và tính chất từ của VLTC nanocomposite Nd-Fe-B
liệu). Các bi thép này cùng với vật liệu được quay ly tâm hoặc lắc với tốc độ rất
cao trong buồng kín cho phép tạo ra bột vật liệu có kích thước nano hoặc VĐH.
1.6.3. Các phương pháp khác
Một số phương pháp khác như phương pháp cán nóng và phương pháp
tách vỡ tái hợp sử dụng khí hydro HDDR cũng có thể dùng để chế tạo VLTC
nanocomposite. 1.7. Các yếu tố ảnh hưởng lên tính chất từ của vật liệu

nanocomposite Nd-Fe-B
1.7.1. Ảnh hưởng của điều kiện công nghệ
Điều kiện công nghệ ảnh hưởng nhiều đến vi cấu trúc và do đó ảnh
hưởng đến tính chất từ của vật liệu. Mỗi hợp kim với thành phần xác định
cần phải có một điều kiện công nghệ tối ưu tương ứng. Các yếu tố trong
công nghệ nguội nhanh gồm tốc độ làm nguội hợp kim, nhiệt độ ủ, thời gian
ủ nhiệt, tốc độ gia nhiệt. Với phương pháp nghiền cơ năng lượng cao yếu tố
công nghệ là tỉ lệ bi/bột, tốc độ nghiền, thời gian nghiền, thể tích cối nghiền
và môi trường nghiền.
1.7.2. Ảnh hưởng của các nguyên tố pha thêm
Tính chất từ của vật liệu có thể được cải thiện đáng kể khi thêm vào
một số nguyên tố. Việc pha thêm các nguyên tố đất hiếm như Pr, Dy, Tb có
thể làm gia tăng đáng kể lực kháng từ của vật liệu. Nb có thể làm giảm đáng
kể kích thước hạt và khống chế hiệu quả sự hình thành các hạt nanô tinh thể
trong hợp kim. Ảnh hưởng nổi bật của Co là làm tăng nhiệt độ Curie và góp
phần ổn định công nghệ chế tạo
1.8. Ứng dụng và thị trường của vật liệu nanocomposite Nd-Fe-B
Vật liệu nanocomposite Nd-Fe-B trên thị trường hiện nay thường ở hai
dạng là bột hợp kim và các nam châm kết dính. Nam châm kết dính Nd-Fe-B
có triển vọng ứng dụng ngày càng nhiều trong thực tế. Hiện nay, trên thế
giới có rất nhiều hãng sản xuất nam châm kết dính Nd-Fe-B. Nhìn chung,
các nam châm kết dính Nd-Fe-B trên thị trường có tích năng lượng (BH)
max
7
Nghiên cứu ảnh hưởng của tỉ phần các nguyên tố và công nghệ chế tạo
lên cấu trúc và tính chất từ của VLTC nanocomposite Nd-Fe-B
thấp hơn 12 MOe.
1.9. Nghiên cứu và phát triển vật liệu nanocomposite Nd-Fe-B ở Việt
nam
VLTC nanocomposite Nd-Fe-B luôn được các phòng thí nghiệm ở Việt

Nam quan tâm nghiên cứu. Điều này được thể hiện qua nhiều báo cáo tại các hội
nghị khoa học và trên các tạp chí chuyên ngành của nhiều nhóm tác giả như
nhóm của GS. Nguyễn Hoàng Nghị (ĐHBK Hà Nội), nhóm nghiên cứu của GS.
Lưu Tuấn Tài, GS. Nguyễn Châu (ĐHQG Hà Nội), nhóm của PGS. Nguyễn Văn
Vượng, PGS. Nguyễn Huy Dân (Viện Khoa học Vật liệu) Các nam châm kết
dính chế tạo được ở trong nước đã có tích năng lượng (BH)
max
đạt tới khoảng 8
MGOe. Hiện nay, Viện Khoa học Vật liệu là đơn vị khá mạnh trong lĩnh vực
nghiên cứu và phát triển các ứng dụng của vật liệu từ Nd-Fe-B.
Chương 2. KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM
2.1. Chế tạo mẫu hợp kim Nd-Fe-B
2.1.1. Chế tạo các hợp kim khối Nd-Fe-B bằng lò hồ quang
Phương pháp hồ quang được dùng để chế tạo các hợp kim khối ban đầu từ
các nguyên tố Nd, Pr, Dy, Fe, Co, Nb và hợp kim FeB (B 18%) với độ sạch cao.
Các hợp kim khối này được dùng để tạo các mẫu băng và mẫu bột bằng phương
pháp phun băng nguội nhanh và nghiền cơ năng lượng cao.
2.1.2. Chế tạo băng hợp kim Nd-Fe-B bằng phương pháp nguội nhanh
Hợp kim được nấu nóng chảy bằng lò cao tần rồi được phun lên mặt của
một trống đồng lạnh đang quay với tốc độ lớn để tạo ra các băng hợp kim có
độ dày 20 ÷ 60 µm.
2.1.3. Chế tạo hợp kim Nd-Fe-B bằng phương pháp nghiền cơ năng lượng
cao
Mẫu nghiền đựng trong cối và được nghiền bởi nhiều bi nghiền có
kích thước khác nhau để tăng hiệu quả nghiền.
8
Nghiên cứu ảnh hưởng của tỉ phần các nguyên tố và công nghệ chế tạo
lên cấu trúc và tính chất từ của VLTC nanocomposite Nd-Fe-B
2.1.4. Xử lý nhiệt mẫu hợp kim Nd-Fe-B
Quá trình ủ nhiệt nhằm mục đích tạo pha tinh thể có thành phần và cỡ hạt

mong muốn.
2.1.5. Ép tạo viên nam châm kết dính
Ép thường (ép nguội): Cho bột vào khuôn, tăng dần lực ép đến 15 tấn,
duy trì lực ép khoảng 5 phút, triệt tiêu lực ép dỡ khuôn lấy mẫu, được viên
nam châm.
Ép nhiệt (ép nóng): cho bột vào khuôn, đặt khuôn vào lò gia nhiệt và ép
gia nhiệt ở nhiệt độ 300
o
C. Duy trì áp lực lên mẫu trong thời gian 15 phút
sao cho nhiệt độ của mẫu trong lò giảm xuống dưới nhiệt độ nóng chảy của
chất kết dính (150
o
C) thì xả áp và chờ cho mẫu nguội tự nhiên thì lấy mẫu ra.
2.2. Các phương pháp nghiên cứu cấu trúc
2.2.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X
Qua phổ nhiễu xạ tia X ta có thể xác định được các đặc trưng cấu trúc
của mạng tinh thể như: kiểu mạng, pha tinh thể và các hằng số mạng. Từ phổ
XRD cũng có thể đánh giá được độ VĐH và tỉ phần pha tinh thể của các
mẫu.
2.2.2. Phương pháp hiển vi điện tử
Phương pháp hiển vi điện tử là kỹ thuật rất hiện đại để kết luận mẫu là
VĐH thực sự hay gồm vi tinh thể rất nhỏ trên nền pha VĐH, cũng như xác
định cỡ hạt, thành phần pha vi tinh thể. Kính hiển vi điện tử quét (Scanning
Electron Microscope - SEM) cho thông tin về bề mặt mẫu (hình dạng, kích
thước hạt, thành phần hóa học ). Kính hiển vi điện tử truyền qua
(Transmission Electron Microscopy - TEM) cho biết thông tin cả về hình
dạng, kích thước hạt lẫn cấu trúc bên trong mẫu (cấu trúc tinh thể, hằng số
mạng ).
2.3. Các phép đo nghiên cứu tính chất từ
2.3.1. Phép đo từ nhiệt trên hệ từ kế mẫu rung

9
Nghiên cứu ảnh hưởng của tỉ phần các nguyên tố và công nghệ chế tạo
lên cấu trúc và tính chất từ của VLTC nanocomposite Nd-Fe-B
Để đánh giá sự phụ thuộc của từ độ vào nhiệt độ chúng tôi sử dụng hệ
đo từ kế mẫu rung (Vibrating Sample Magnetometer - VSM). Nguyên 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 châm điện gây ra. Mômen từ của mẫu
được xác định dựa vào suất điện động cảm ứng sinh ra do sự dịch chuyển
tương đối giữa mẫu và cuộn dây thu tín hiệu.
2.3.2. Phép đo từ trễ trên hệ từ trường xung
Từ các đường từ trễ đo trên hệ từ trường xung có thể xác định được
các đại lượng đặc trưng quan trọng như: H
c
, M
s
, M
r
và (BH)
max
. Hệ được
thiết kế theo nguyên tắc nạp - phóng điện qua bộ tụ điện và cuộn dây. Dòng
một chiều nạp điện cho tụ làm cho tụ tích năng lượng cỡ vài chục kJ. Sau đó
dòng điện tồn tại trong thời gian ngắn đã phóng điện qua cuộn dây nam
châm L và tạo trong lòng ống dây một từ trường xung cao. Mẫu đo được 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 trường sẽ được thu thập, xử
lí hoặc lưu trữ cho các mục đích cụ thể.
Chương 3. ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ NGUYÊN TỐ LÊN CẤU
TRÚC VÀ TÍNH CHẤT TỪ CỦA VẬT LIỆU TỪ CỨNG
NANOCOMPOSITE Nd-Fe-B

3.1. Cải thiện vi cấu trúc và ổn định công nghệ chế tạo vật liệu
nanocomposite Nd-Fe-B bằng cách thêm Nb
10
Nghiên cứu ảnh hưởng của tỉ phần các nguyên tố và công nghệ chế tạo
lên cấu trúc và tính chất từ của VLTC nanocomposite Nd-Fe-B
Hình 3.1 là phổ XRD của
các mẫu hợp kim Nd
10,5
Fe
83,5-
x
Nb
x
B
6
(x = 0; 1,5 và 3) được
phun băng với tốc độ trống quay v
= 30 m/s trước khi ủ nhiệt. So với
mẫu không pha Nb thì mẫu pha
Nb có cường độ các đỉnh nhiễu xạ
yếu dần theo nồng độ Nb, đồng
thời khả năng tạo trạng thái VĐH
của hợp kim tăng lên. Kết quả đo
từ trễ cho thấy mẫu x = 1,5 có
đường cong từ trễ khá trơn nhẵn và có H
c
khá cao (H
c
= 7 kOe). Mẫu x = 0 và x
= 3 thể hiện sự đa pha từ và H

c
nhỏ. Như vậy, với một nồng độ nhất định, Nb
làm giảm kích thước hạt, tăng khả năng tạo trạng thái VĐH trong quá trình
nguội nhanh. Đồng thời với tỷ phần thích hợp, Nb có khả năng làm tăng lực
kháng từ và độ vuông đường trễ của hợp kim.
-15
-10
-5
0
5
10
15
-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20
x = 0
x = 1.5
x = 3
M (d. v. t. y)
H (kOe)

a)
0
3
6
9
12
15
625 650 675 700 725 750 775
x = 0
x = 1,5
x = 3

H
c
(kOe)
T
a
(
o
C)
b)
Hình 3.4. Các đường từ trễ của mẫu băng Nd
10,5
Fe
83,5-x
Nb
x
B
6
(x = 0; 1,5 và 3)
đã ủ ở nhiệt độ 675
o
C trong thời gian 10 phút (a) và lực kháng từ H
c
phụ thuộc
nhiệt độ ủ T
a
Để tăng cường tính từ cứng cho vật liệu chúng tôi đã tiến hành ủ nhiệt
11
Hình 3.1. Phổ XRD của mẫu băng
Nd
10,5

Fe
83,5-x
Nb
x
B
6
(x = 0; 1,5 và 3) trước
khi ủ nhiệt
Nghiên cứu ảnh hưởng của tỉ phần các nguyên tố và công nghệ chế tạo
lên cấu trúc và tính chất từ của VLTC nanocomposite Nd-Fe-B
các mẫu băng Nd
10,5
Fe
83,5-x
Nb
x
B
6
(x = 0; 1,5 và 3) trong khoảng nhiệt độ từ 625
÷ 775
o
C. Kết quả cho thấy quá trình ủ nhiệt làm cho tính từ cứng trong các mẫu
x = 1,5 và x = 3 tăng. Mẫu x = 3 sau ủ nhiệt có H
c
lớn nhất (hình 3.4a). Hình
3.4b biểu diễn các giá trị H
c
theo T
a
của các mẫu cho thấy Nb không chỉ làm

tăng lực kháng từ mà còn làm ổn định cấu trúc của hợp kim khi điều kiện chế
tạo thay đổi (H
c
thay đổi rất ít khi T
a
thay đổi).
Hình 3.6 là các ảnh TEM trường sáng, ảnh SAED và ảnh HRTEM của
mẫu được pha Nb với nồng độ là 3%, chúng tôi thấy Nb giúp làm mịn hạt, làm
cho các hạt trở nên đồng đều hơn, các biên hạt được phân lập rõ ràng, điều đó
giải thích H
c
của

mẫu lớn .
a)
b)
c)
Hình 3.6. Ảnh TEM trường sáng (a),
ảnh HRTEM (b) và ảnh SAED (c) của
mẫu Nd
10,5
Fe
80,5
Nb
3
B
6
ủ ở nhiệt độ tối
ưu.
Tóm lại với nồng độ Nb trong khoảng 1,5 ÷ 3%, hợp kim có kích thước

hạt tinh thể khá đồng đều, cấu trúc vi mô ổn định và lực kháng từ được nâng
lên khá cao.
12
Nghiên cứu ảnh hưởng của tỉ phần các nguyên tố và công nghệ chế tạo
lên cấu trúc và tính chất từ của VLTC nanocomposite Nd-Fe-B
3.2. Nâng cao nhiệt độ Curie của vật liệu nanocomposite Nd-Fe-B bằng cách
thêm Co
3.2.1. Ảnh hưởng của Co lên tính chất từ của hợp kim Nd
10,5-x
Fe
82
Co
x
Nb
1,5
B
6
( x = 0, 2,
4, 6 và 8)
Hình 3.7 là giản đồ XRD của mẫu băng Nd
10,5-x
Fe
82
Co
x
Nb
1,5
B
6
(x = 0, 2, 4, 6

và 8) khi chưa ủ nhiệt. Trên phổ XRD cho thấy khi nồng độ Co tăng lên, sự kết tinh
của hợp kim giảm đáng kể. Nồng độ Co trong khoảng từ 4 ÷ 6% mẫu hầu như ở
trạng thái VĐH. Như vậy, với nồng độ thích hợp của Co, cấu trúc VĐH của hợp
kim được cải thiện đáng kể, khả năng tạo trạng thái VĐH được tăng lên. Kết quả
phân tích tính chất từ của các mẫu băng sau ủ nhiệt cho thấy, nhiệt độ ủ tối ưu của
các mẫu là 725
o
C, quá trình ủ nhiệt cải thiện độ vuông đường trễ của mẫu x = 0,
tăng cường tính từ cứng cho các mẫu có nồng độ Co từ 2÷4% .
Hình 3.7. Phổ XRD của băng nguội
nhanh Nd
10,5-x
Fe
82
Co
x
Nb
1,5
B
6
(x = 2, 4,
6 và 8) với v = 30 m/s.
-20
-15
-10
-5
0
5
10
15

20
-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20
x = 0
x = 2
x = 4
x = 6
4
π
M (kG)
H (kOe)
T
a
= 725
o
C
Hình 3.9. Các đường từ trễ của
băng hợp kim Nd
10,5-x
Fe
82
Co
x
Nb
1,5
B
6
(x = 0, 2, 4 và 6) ủ ở nhiệt độ
725
o
C.

13
Nghiên cứu ảnh hưởng của tỉ phần các nguyên tố và công nghệ chế tạo
lên cấu trúc và tính chất từ của VLTC nanocomposite Nd-Fe-B
Hình 3.10 là đường
cong từ nhiệt của các mẫu
băng hợp kim Nd
10,5-
x
Fe
82
Co
x
Nb
1,5
B
6

sau khi ủ
nhiệt. Khi được ủ nhiệt, T
C
của các mẫu tăng dần theo
nồng độ Co, khoảng nhiệt
độ T
C
của các mẫu thay đổi
khá rộng từ ∼ 585 đến ∼
650 K. Các đường từ nhiệt
chưa giảm về không khi nhiệt độ tăng đến 700 K là do pha từ mềm α-Fe
trong các mẫu có nhiệt độ Curie cao hơn (∼ 1050 K). 3.2.2. Ảnh hưởng của Co
lên tính chất từ của hợp kim Nd

10,5-x
Fe
80,5
Co
x
Nb
3
B
6
(x = 0, 2, 4 và 6)
Ảnh hưởng của Co lên cấu trúc và tính chất từ của vật liệu nanocomposite
Nd-Fe-B được tiếp tục nghiên cứu trên hệ hợp kim Nd
10,5-x
Fe
80,5
Co
x
Nb
3
B
6
(x = 0,
2, 4 và 6). Kết quả phân tích cấu trúc với các tốc độ làm nguội từ 10 m/s đến 40
m/s cho thấy sự hình thành pha phụ thuộc cả vào nồng độ của Co và tốc độ làm
nguội. Với x = 0 mẫu kết tinh ngay ở tốc độ làm nguội cao nhất (v = 40 m/s).
14
0
0.2
0.4
0.6

0.8
1
1.2
350 400 450 500 550 600 650 700
x = 0
x = 2
x = 4
x = 6
M/M
350 K
T (K)
T
a
= 725
o
C
Hình 3.10. Các đường cong từ nhiệt của
mẫu Nd
10,5-x
Fe
82
Co
x
Nb
1.5
B
6
(x = 0, 2, 4, 6 và
8) sau khi ủ nhiệt ở 725
o

C.
Nghiên cứu ảnh hưởng của tỉ phần các nguyên tố và công nghệ chế tạo
lên cấu trúc và tính chất từ của VLTC nanocomposite Nd-Fe-B
Với nồng độ Co từ 2 ÷ 6%, tỷ lệ kết tinh của hợp kim giảm đáng kể ở v = 10 và
20 m/s và gần như vô định hình ở v = 40 m/s. Quá trình ủ nhiệt đã làm tăng
cường tính từ cứng cho vật liệu. Hình 3.14a biểu diễn sự phụ thuộc của lực
kháng từ H
c
vào nhiệt độ ủ. Chúng ta có thể thấy rằng, lực kháng từ giảm với
nồng độ tăng lên của Co. Tuy nhiên, sản phẩm vẫn cho tích năng lượng cực đại
(BH)
max
lớn (hình 3.14b). Điều này có thể được giải thích do từ độ bão hòa cũng
như độ từ dư của các hợp kim tăng lên đáng kể với sự gia tăng của nồng độ Co.
0
2
4
6
8
10
600 650 700 750 800
H
c
(kOe)
T
a
(
o
C)
x=0

x=2
x=4
x=6
a)
0
4
8
12
16
600 650 700 750 800
(BH)
max
(MGOe)
T
a
(
o
C)
x=0
x=2
x=4
x=6
b)
Hình 3.14. Sự phụ thuộc của H
c
(a) và (BH)
max
(b) vào nhiệt độ ủ T
a
của

băng hợp kim Nd
10,5-x
Fe
8,.5
Co
x
Nb
3
B
6
(x = 0, 2, 4 và 6).
Tóm lại, Co có thể làm tăng khả năng tạo trạng thái VĐH, đồng thời
tăng từ độ bão hòa và đặc biệt làm tăng nhiệt độ Curie cho vật liệu.
3.3. Tăng cường lực kháng từ của vật liệu nanocomposite Nd-Fe-B bằng
cách thêm Pr và Dy
3.3.1. Ảnh hưởng của Pr lên tính chất từ của hệ vật liệu nanocomposite Nd-Fe-
B
Mẫu băng Nd
4-x
Pr
x
Fe
78
B
18
(x = 0, 1, 2, 3 và 4) được phun với tốc độ trống
quay v = 10 m/s
15
Nghiên cứu ảnh hưởng của tỉ phần các nguyên tố và công nghệ chế tạo
lên cấu trúc và tính chất từ của VLTC nanocomposite Nd-Fe-B

1.5
2
2.5
3
3.5
625 650 675 700
x = 1
x = 2
x = 3
x = 4
H
c
(kOe)
T
a
(
o
C)
a)
0
5
10
15
625 650 675 700
x=1
x=2
x=3
x=4
(BH)
max

(MGOe)
T
a
(
o
C)
b)
Hình 3.20. Sự phụ thuộc của H
c
(a), và (BH)
max
(b) vào nhiệt độ ủ T
a
của hợp kim Nd
4-
x
Pr
x
Fe
78
B
18
(x =1, 2, 3 và 4).
Phân tích phổ XRD cho thấy các mẫu trước khi ủ nhiệt cho thấy các mẫu hầu như
ở trạng thái VĐH và kết quả đo từ trễ cũng chỉ ra các mẫu thể hiện tính từ mềm. Sau ủ
nhiệt tính chất từ của các mẫu thay đổi đáng kể. Hình 3.20 biểu diễn sự phụ thuộc của H
c
và (BH)
max
vào nhiệt độ ủ. Ta nhận thấy, nhiệt độ ủ tối ưu của các mẫu từ 650

o
C ÷ 675
o
C.
Nhìn chung, lực kháng từ đã
đạt được trên 3 kOe và tích năng
lượng (BH)
max
vượt quá 12 MGOe
trên các hợp kim có tỉ phần Pr/Nd
bằng 1/4 và 2/4. Như vậy, việc pha
thêm Pr đã tăng cường đáng kể tính
chất từ cho vật liệu.
Khảo sát ảnh hưởng của thời gian ủ nhiệt lên tính chất từ của vật liệu cho
thấy, khoảng thời gian ủ mà tính chất từ thay đổi không nhiều là từ 5 dến 15 phút
(hình 3.21). Tuy vậy, thời gian tối ưu là vào khoảng 10 phút.
16
0
1
2
3
4
0 5 10 15 20
x = 1
x = 2
x = 3
x = 4
H
c
(kOe)

t
a
(min.)
Hình 3.21. Sự phụ thuộc của lực kháng
từ H
c
vào thời gian ủ t
a
của hợp kim
Nd
4-x
Pr
x
Fe
78
B
18
(x =1, 2, 3 và 4)
Nghiên cứu ảnh hưởng của tỉ phần các nguyên tố và công nghệ chế tạo
lên cấu trúc và tính chất từ của VLTC nanocomposite Nd-Fe-B
3.3.2. Ảnh hưởng của Dy lên tính chất từ của hệ vật liệu nanocomposite Nd-
Fe-B
Hình 3.22 cho thấy các đường từ trễ của các mẫu băng Nd
4-x
Dy
x
Fe
78
B
18

(x = 0,25; 0,5; 0,75 và 1) ủ nhiệt ở 650
o
C trong thời gian 10 phút. Ta thấy
rằng tính từ cứng của hợp kim đã được tăng cường đáng kể. Lực kháng từ
của tất cả các mẫu này đã vượt trên 3 kOe, tăng khoảng hơn 30% so với mẫu
chưa có Dy. Tích năng lượng (BH)
max

của các mẫu có nồng độ Dy
bằng 0,25; 0,5; 0,75 và 1% lần
lượt là 12,7; 15,6; 12,3 và 10,1
MGOe. (BH)
max
ở mẫu với x
= 0,5 tăng khoảng 50% so với
mẫu không pha Dy.
Ảnh hưởng của Dy lên hệ hợp kim nhiều thành phần Nd
4,5-
x
Dy
x
Fe
80,5
Co
6
Nb
3
B
6
(x = 0,25; 0,5; 0,75 và 1) cũng đã được nghiên cứu. Khi

ủ ở nhiệt độ 750
o
C, tính từ cứng của 2 mẫu có nồng độ Dy 0,25% và 0,5% đã
trở nên khá tốt. H
c
~ 3,1 kOe, lớn hơn khá nhiều so với mẫu
Nd
4,5
Fe
80,5
Co
6
Nb
3
B
6
không chứa Dy (~ 2,5 kOe). Tích năng lượng (BH)
max
của hai mẫu có nồng độ Dy 0,25 và 0,5 % tương ứng là 11,3 và 13,5 MGOe;
vượt qua giá trị tối ưu của mẫu không chứa Dy.
Tóm lại, việc pha thêm Dy với vật liệu có tổng nồng độ đất hiếm thấp
cho thấy H
c
và (BH)
max
được tăng cường. H
c
và (BH)
max
của vật liệu có thể

được tăng đáng kể (trên 20%) chỉ với một nồng độ khá nhỏ (dưới 0,5%) của
Dy.
17
-15
-10
-5
0
5
10
15
-10 -5 0 5 10
0.25
0.5
0.75
1
4
π
M (kG)
H (kOe)
Hình 3.22. Đường từ trễ của các mẫu
băng Nd
4-x
Dy
x
Fe
78
B
18
(x = 0,25; 0,5; 0,75
và 1) ủ nhiệt ở 650

o
C trong 10 phút.
Nghiên cứu ảnh hưởng của tỉ phần các nguyên tố và công nghệ chế tạo
lên cấu trúc và tính chất từ của VLTC nanocomposite Nd-Fe-B
3.4. Tỉ phần Fe/B tối ưu của vật liệu nanocomposite Nd-Fe-B với các
nồng độ đất hiếm khác nhau
a)
b)
c)
d)
Hình 3.27. H
c
phụ thuộc vào T
a
của hợp kim (Nd
0,5
Pr
0,5
)
6+x
Nb
1,5
Fe
88,5-x-y
B
4+y
với x = 0 (a), x = 2 (b), x = 4 (c) và x = 6 (d).
Tỉ phần Fe/B thích hợp với từng nồng độ đất hiếm có thể mang lại cho
hệ hợp kim một cấu trúc vi mô và tính chất từ như mong muốn. Ảnh hưởng của
tỉ phần Fe/B và các điều kiện công nghệ lên cấu trúc và tính chất từ của vật liệu

nanocomposite có nồng độ đất hiếm khác nhau được nghiên cứu trên hệ vật liệu
(Nd
0,5
Pr
0,5
)
6+x
Nb
1,5
Fe
88,5-x-y
B
4+y
(x = 0 ÷ 6, y = 0 ÷ 10) chế tạo bằng phương pháp
phun băng nguội nhanh sau đó ủ nhiệt.
Với mỗi một nồng độ đất hiếm, chúng tôi tìm ra được một tỉ lệ Fe/B thích
hợp để đạt được các thông số từ cứng lớn nhất (hình 3.27). Lực kháng từ của
18
Nghiên cứu ảnh hưởng của tỉ phần các nguyên tố và công nghệ chế tạo
lên cấu trúc và tính chất từ của VLTC nanocomposite Nd-Fe-B
mẫu hợp kim tăng với sự tăng của nồng độ đất hiếm. Nhiệt độ ủ tối ưu của các
mẫu hợp kim giảm từ 750
o
C xuống 675
o
C khi nồng độ đất hiếm tăng từ 6% lên
12%. Bằng cách lựa chọn hợp phần, lực kháng từ H
c
và tích năng lượng (BH)
max

có thể được thay đổi trong các khoảng tương ứng là 14,5 kOe và 16 MGOe
(bảng 3.8).
Bảng 3.8. Tích năng lượng cực đại (BH)
max
(MGOe) của hệ hợp kim
(Nd
0,5
Pr
0,5
)
6+x
Nb
1,5
Fe
88,5-x-y
B
4+y


(x =0 ÷ 6, y = 0 ÷12) ủ ở các nhiệt độ khác nhau
RE
T
a
(
o
C)
Fe/B
650 675 700 725 750 775
88,5/4 - - 4,8 7,0 8,1 7,3
86,5/6 - - 5,1 8,5 8,7 8,3

84,5/8 - - 6,5 11,0 13,1 10,4
82,5/10 - - 3,2 5,6 7,8 6,1
80,5/12 - - 3,0 5,4 7,2 5,6
78,5/14 - - 2,8 3,7 6,0 5,0
86,5/4 1,8 3,1 6,9 7,9 3,4 3,0
84,5/6 2,0 4,9 7,7 11,0 9,4 7,4
82,5/8 10,8 13,6 14,3 16,0 13,5 10,8
80,5/10 7,6 11,3 12,6 12,7 10,0 7,5
78,5/12 8,0 9,5 10,7 11,1 10,2 10,8
76,5/14 6,1 7,4 8,7 10,5 8,3 9,6
84,5/4 7,2 10,6 10,6 9,7 - -
82,5/6 10,2 13,5 12,0 10,7 - -
80,5/8 10,7 14,1 13,4 11,7 - -
78,5/10 14,9 15,2 13,5 12,1 - -
19
Nghiên cứu ảnh hưởng của tỉ phần các nguyên tố và công nghệ chế tạo
lên cấu trúc và tính chất từ của VLTC nanocomposite Nd-Fe-B
10
76,5/12 11,3 9,9 9,0 8,8 - -
74,5/14 5,3 5,6 6,5 5,3 - -
12
82,5/4 12,3 12,9 11,1 10,2 - -
80,5/6 12,2 12,9 12,0 9,8 - -
78,5/8 12,0 12,8 12,4 10,5 - -
76,5/10 13,0 13,4 11,5 11,0 - -
74,5/12 13,8 15,0 10,6 9,7 - -
72,5/14 9,6 8,1 7,8 7,4 - -
Chương 4. ẢNH HƯỞNG CỦA CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO LÊN TÍNH
CHẤT
TỪ CỦA VẬT LIỆU NANOCOMPOSITE Nd-Fe-B

4.1. Ảnh hưởng của hợp phần và tốc độ làm nguội lên nhiệt độ ủ tối ưu
của vật liệu nanocomposite Nd-Fe-B
Hình 3.29a biểu diễn sự phụ thuộc của lực kháng từ H
c
vào nhiệt độ ủ tạo
pha tinh thể T
a
của hợp kim Nd
4
Fe
78
B
18
với các tốc độ làm nguội khác nhau.
Chúng tôi nhận ra rằng nhiệt độ ủ tối ưu của hợp kim tăng từ 650
o
C đến 700
o
C
khi tốc độ trống quay giảm từ 40 m/s đến 20 m/s.
0.4
0.8
1.2
1.6
2
600 625 650 675 700 725
40 m/s
30 m/s
20 m/s
H

c
(kOe)
T
a
(
o
C)
a)
7
7.5
8
8.5
9
9.5
10
625 650 675 700 725 750
20 m/s
40 m/s
H
c
(kOe)
T
a
(
o
C)
b)
Hình 3.29. Sự phụ thuộc của lực kháng từ H
c
vào nhiệt độ ủ tạo pha tinh thể

20
Nghiên cứu ảnh hưởng của tỉ phần các nguyên tố và công nghệ chế tạo
lên cấu trúc và tính chất từ của VLTC nanocomposite Nd-Fe-B
T
a
của hợp kim Nd
4
Fe
78
B
18
(a) và Nd
10,5
Fe
80,5
Nb
3
B
6
(b) với tốc độ trống quay
khác nhau.
Hình 3.29b cho thấy sự phụ
thuộc của lực kháng từ H
c
vào
nhiệt độ ủ T
a
của mẫu hợp kim
Nd
10,5

Fe
80,5
Nb
3
B
6
với các tốc độ
làm nguội khác nhau. Trong hệ
mẫu này chúng tôi cũng thấy rằng
nhiệt độ ủ tối ưu tăng khi giảm tốc
độ làm nguội.
Khi nghiên cứu hệ mẫu (Nd
0,5
Pr
0,5
)
6+x
Nb
1,5
Fe
88,5-x-y
B
4+y
(x = 0 ÷ 6, y
= 0 ÷ 10), chúng tôi nhận thấy rằng với sự tăng nồng độ đất hiếm không
chỉ làm tăng lực kháng từ H
c
mà còn giảm nhiệt độ ủ tạo pha tinh thể tối ưu
của vật liệu từ 750
o

C đến 650
o
C (hình 3.31). Đối với các hệ hợp kim
chứa Pr, Co và Nb chúng tôi nhận thấy rằng nhiệt độ ủ tối ưu giảm khi
nồng độ Pr tăng và tăng lên khi tăng nồng độ Co và Nb.
4.2. Nghiên cứu chế tạo vật liệu nanocomposite Nd-Fe-B bằng phương
pháp nghiền cơ năng lượng cao
21
0
5
10
15
650 700 750 800
x = 6
x = 8
x = 10
x = 12
H
c
(kOe)
T
a
(
o
C)
Hình 3.31. Sự phụ thuộc của lực
kháng từ H
c
vào nhiệt độ ủ T
a

của hệ
mẫu (Nd
0,5
Pr
0,5
)
6+x
Nb
1,5
Fe
88,5-x-y
B
4+y
(x = 0, 2, 4 và 6).
Nghiên cứu ảnh hưởng của tỉ phần các nguyên tố và công nghệ chế tạo
lên cấu trúc và tính chất từ của VLTC nanocomposite Nd-Fe-B
Khảo sát ảnh hưởng của
kích thước hạt và chế độ xử lý
nhiệt lên cấu trúc và tính chất từ
của nam châm đàn hồi Nd
2
Fe
14
B/α-
Fe với hợp phần danh định là
Nd
12
Fe
82
B

6
. Phân tích XRD cho
thấy khi tăng thời gian nghiền thì
cường độ đỉnh nhiễu xạ giảm mạnh
chứng tỏ kích thước hạt giảm (hình
3.34). Ở thời gian nghiền 7 h, các
đỉnh nhiễu xạ đặc trưng cho pha Nd
2
Fe
14
B chỉ còn lại rất ít và hầu như không
còn quan sát thấy ở các thời gian nghiền lâu hơn (có sự phân hủy cấu trúc pha).
a) b)
c) d)
Hình 3.35. Ảnh SEM của các mẫu Nd-Fe-B được nghiền trong các khoảng
thời gian khác nhau: 3 h (a), 5 h (b), 7 h (c) và 10 h (d).
Trên ảnh SEM (hình 3.35) cho thấy kích thước hạt tinh thể vào khoảng 50 -
100 nm với thời gian nghiền 3 h và giảm xuống khoảng 30 - 50 nm với thời gian
22
Hình 3.34. Phổ XRD của các mẫu
Nd-Fe-B được nghiền trong các khoảng
thời gian khác nhau.
Nghiên cứu ảnh hưởng của tỉ phần các nguyên tố và công nghệ chế tạo
lên cấu trúc và tính chất từ của VLTC nanocomposite Nd-Fe-B
nghiền là 5 h, kích thước hạt tinh thể vào cỡ 10 - 20 nm với thời gian nghiền
là 7 h. Như vậy, để đạt được kích thước hạt một vài chục nm, đủ để xảy ra
hiệu ứng trao đổi đàn hồi, cần một khoảng thời gian nghiền không quá dài. Ở
thời gian nghiền lớn hơn các hạt tinh thể bị kết đám, rất khó quan sát được các hạt
riêng rẽ, đồng thời xuất hiện sự phân pha trong vật liệu. Khi chưa ủ tất cả các hợp
kim thể hiện tính từ mềm. Sau khi ủ nhiệt một số mẫu hợp kim lại biểu lộ tính từ

cứng khá cao (hình 3.37). Ở nhiệt độ ủ 600
o
C mẫu nghiền 7 h cho lực kháng từ cao
nhất đạt 5,2 kOe và tích năng lượng cực đại (BH)
max
~ 16,7 MGOe.
Để khảo sát ảnh hưởng của
các thông số trong quá trình nghiền
như: môi trường nghiền, thời gian
nghiền, tỉ lệ bi/bột lên cấu trúc và
tính chất từ của vật liệu Nd-Fe-B
chúng tôi đã lựa chọn hợp phần
danh định là Nd
16,5
Fe
77
B
6,5
để khảo
sát. Kết quả phân tích cấu trúc cho
thấy để giảm thời gian nghiền thì tỉ
lệ bi/bột phải tăng lên. Tuy nhiên
do khối lượng bi không đổi nên lượng mẫu chế tạo được sẽ ít hơn. Khi
nghiền trong xăng và heptan thì cấu trúc của mẫu thay đổi không đáng kể.
Điều này cho thấy dung môi heptan hoặc xăng là lựa chọn tốt để khắc phục
nhược điểm phân hủy cấu trúc của vật liệu đã chế tạo như nghiền trong khí
Ar. Ảnh hưởng của thời gian nghiền lên kích thước hạt cho thấy khi nghiền
trong dung môi kích thước hạt giảm mạnh khi tăng thời gian nghiền đến 7 h.
Tăng thời gian nghiền nhiều hơn nữa thì kích thước hạt cũng giảm rất ít.
4.3. Thử nghiệm chế tạo nam châm kết dính Nd-Fe-B

Quy trình chế tạo các nam châm kết dính được thực hiện theo các bước sau
đây:
23
-15
-10
-5
0
5
10
15
-15 -10 -5 0 5 10 15
500
o
C
600
o
C
700
o
C
800
o
C
4
π
M (kG)
H (kOe)
Hình 3.37. Đường cong từ trễ của các
mẫu được nghiền 7 h và ủ ở các nhiệt độ
khác nhau trong thời gian 20 phút.

Nghiên cứu ảnh hưởng của tỉ phần các nguyên tố và công nghệ chế tạo
lên cấu trúc và tính chất từ của VLTC nanocomposite Nd-Fe-B
- Chế tạo vật liệu theo phương pháp phun băng nguội nhanh với tốc độ v = 30
m/s.
- Xử lý nhiệt các băng VĐH ở nhiệt độ tối ưu. Chế độ xử lý nhiệt cụ thể cho 3 hệ
vật liệu được chế tạo thử nghiệm mẫu lần lượt là: i) T
a
= 675
o
C, t
a
= 10 phút cho hệ
Nd
2
Pr
2
Fe
78
B
18
, ii) T
a
= 625
o
C, t
a
= 10 phút cho hệ Nd
10,5
Nb
1,5

Fe
82
B
6
, iii) T
a
=
625
o
C, t
a
= 10 phút cho hệ (Nd
0,5
Pr
0,5
)
10,5
Fe
82
Nb
1,5
B
6
.
- Nghiền các băng đã được xử lý nhiệt thành bột, sử dụng rây bột cỡ 0,4 mm.
- Trộn bột hợp kim với keo theo tỷ lệ 0,25 ml keo/1 g bột rồi khuấy liên tục
cho đến khi keo khô.
- Cho vào khuôn ép đường kính 16 mm và ép thành viên có chiều cao cỡ 15 - 20
mm với lực ép 7,5 tấn/cm
2

. Quá trình ép sử dụng hai chế độ ép nóng và ép
nguội. Khi ép nóng, nhiệt độ của khuôn được nâng tới ~ 300
o
C trong khoảng
thời gian 5 phút với tốc độ gia nhiệt lúc đầu là 50
o
/phút sau khi đạt nhiệt độ
260
o
C giảm tốc độ gia nhiệt xuống 20
o
/phút đến 310
o
C thì tắt lò. Đối với các
viên nam châm ép nguội còn phải qua một quá trình sấy ở 250
o
C trong 30
phút.
- Nạp từ các viên nam châm ở từ trường ~ 5 T.
Hình 3.45 cho thấy các viên nam châm kết dính chế tạo được.
Hình 3.45. Các viên nam châm kết
dính chế tạo được.
-12
-8
-4
0
4
8
12
-15 -10 -5 0 5 10 15

ep lanh
ep nong
4π
M(kG)
H (kOe)
Hình 3.46. Đường cong từ trễ của nam
châm Nd
2
Pr
2
Fe
78
B
18
được ép nóng và
24
Nghiên cứu ảnh hưởng của tỉ phần các nguyên tố và công nghệ chế tạo
lên cấu trúc và tính chất từ của VLTC nanocomposite Nd-Fe-B
ép nguội.
Hình 3.46 là đường cong từ trễ của hệ mẫu Nd
2
Pr
2
Fe
78
B
18
khi ép nóng
và ép nguội. Ta thấy rằng lực kháng từ của nam châm không thay đổi nhưng
từ độ bão hòa và từ độ dư của nam châm tăng rõ rệt bằng cách ép nóng. Điều

đó là do mật độ khối của nam châm được tăng lên.
0
2
4
6
8
10
-12 -10 -8 -6 -4 -2 0
M
B
BH
M, B (kG)
H (kOe)
a)
0
2
4
6
8
10
-12 -10 -8 -6 -4 -2 0
M
B
BH
M, B (kG)
H (kOe)
b)
Hình 3.47. Các đường đặc trưng của hai nam châm đàn hồi
chế tạo được: Nd
10,5

Nb
1,5
Fe
82
B
6
(a) và (Nd
0,5
Pr
0,5
)
10,5
Fe
82
Nb
1,5
B
6
(b).
Các đường đặc trưng từ độ M
v
, cảm ứng từ B và tích năng lượng BH
của nam châm đàn hồi đã chế tạo của hai hệ mẫu Nd
10,5
Nb
1,5
Fe
82
B
6

và
(Nd
0,5
Pr
0,5
)
10,5
Fe
82
Nb
1,5
B
6
được chỉ ra trên hình 3.47. Các điều kiện công nghệ
và thông số từ của 3 loại nam châm đàn hồi này được liệt kê trên bảng 3.10.
Bảng 3.10. Các điều kiện công nghệ và thông số từ thu được cho
3 loại nam châm đàn hồi.
Hệ mẫu
Kiểu
ép
Lực ép
(Tấn/cm
2
)
K.L.
riêng
(g/cm
3
)
M

H
c
(kOe)
B
H
c
(kOe)
B
r
(kG)
(BH)
max
(MGOe)
Nd
2
Pr
2
Fe
78
B
18
lạnh 7,5 5,6 3,4 2,7 7,4 6,4
nóng 7,5 5,8 3,3 2,7 8,4 7,8
Nd
10,5
Nb
1,5
Fe
82
B

6
lạnh 7,5 5,6 7,5 4,8 7,3 9,6
nóng 7,5 5,9 7,5 5,0 7,8 10,7
(Nd
0,5
Pr
0,5
)
10,5
Nb
1,5
Fe
82
B
6
nóng 7,5 6,0 8,0 5,1 7,8 11,2
25