chế tạo nam châm nano tổ hợp kết dính nd fe b fe co từ băng nguội nhanh có yếu tố ảnh hưởng của từ trường

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU

NGUYỄN XUÂN TÙNG



CHẾ

TẠO NAM CHÂM NANO TỔ HỢP
KẾT DÍNH Nd-Fe-B/Fe-Co TỪ

BĂNG NGUỘI NHANH

CÓ YẾU TỐ

ẢNH HƢỞNG CỦA TỪ TRƢỜNG
Chuyên ngành: Vật liệu điện tử
Mã số: 62 44 01 23
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU
NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC
1. PGS.TSKH. Nguyễn Văn Vượng
2. PGS. TS. Nguyễn Văn Khánh


HÀ NỘI 02/2015
/

MỤC LỤC
Lời cảm ơn
Lời cam đoan
Danh mục các ký hiệu và các chữ viết tắt
Danh mục các bảng
Danh mục các hình vẽ
MỞ ĐẦU 1
Chƣơng 1: Tổng quan về vật liệu từ cứng nanocomposite nền Nd-Fe-B 6
1.1. Những vấn đề từ học cơ bản của vật liệu nano Nd-Fe-B 7
1.1.1. Sự tạo thành pha từ cứng Nd
2
Fe
14
B 7

1.1.2. Đặc tính từ của Nd
2
Fe
14
B 8
1.1.3. Mômen từ của Nd
2
Fe
14
B 11
1.2. Một số nghiên cứu lý thuyết về tính chất từ của các vật liệu nam châm vĩnh
cửu cấu trúc nano đa pha từ 15
1.3. Nghiên cứu thực nghiệm trong chế tạo nam châm nano tổ hợp hai pha
cứng mềm nền Nd-Fe-B 24
1.3.1. Hợp phần lựa chọn để chế tạo nam châm tổ hợp 25
1.3.2. Sự hình thành cấu trúc nano tổ hợp trong quá trình nguội nhanh 27
1.3.3. Ảnh hưởng của các nguyên tố pha thêm lên quá trình kết tinh 30
Chƣơng 2: Tổng quan về ảnh hƣởng của từ trƣờng lên vi cấu trúc và tính chất
của vật liệu 32
2.1. Nhiệt động học quá trình chuyển pha 32
2.1.1.Độ quá nguội 32
2.1.2. Sự hình thành và điều kiện hình thành mầm tinh thể 33
2.1.3. Tốc độ tạo mầm 34
2.2. Ảnh hƣởng của từ trƣờng đối với sự hình thành mầm tinh thể của dung
dịch chất thuận từ và nghịch từ. 36
2.2.1. Một số khái niệm cơ sở 36
2.2.2. Sự đóng góp của từ trường vào năng lượng tự do 37
2.2.3. Sự định hướng phát triển của vật liệu trong từ trường 38
2.3. Ảnh hƣởng của từ trƣờng lên mầm tinh thể và vi cấu trúc trong quá trình
đóng rắn của vật liệu. 39

/

2.3.1. Ảnh hưởng của từ trường lên vi cấu trúc đóng rắn của kim loại 40
2.3.2. Ảnh hưởng của từ trường lên vi cấu trúc đóng rắn của hợp kim 43
2.4. Quá trình ủ trong từ trƣờng 47
2.4.1. Đánh giá độ lớn của cường độ từ trường cần dùng trong quá trình ủ tái kết
tinh vật liệu từ cứng 47
2.4.2. Các kết quả ủ trong từ trường của vật liệu từ 48
2.5. Tác động của từ trƣờng ngoài lên giản đồ TTT 50
Chƣơng 3: Phƣơng pháp và thiết bị nghiên cứu 51
3.1. Chế tạo hợp kim ban đầu: Nd-Fe-B và Fe-Co 51
3.2. Phun băng nguội nhanh trên hệ ZGK-1 52
3.3 hợp kim Nd-Fe-B 54
3.4. Chế tạo nam châm kết dính 55
3.5 ứu cấu trúc 56
3.5.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X 56
3.5.2. Phương pháp hiển vi điện tử 56
3.5.3. Phương pháp phân tích nhiệt DSC/TG 57
3.6. Phƣơng pháp đo phẩm chất từ tính của vật liệu từ cứng 58
3.6.1 Phương pháp đo đường cong từ nhiệt sử dụng từ kế mẫu rung 58
3.6.2. Phép đo từ trễ trên hệ đo các tính chất vật lý 59
3.6.3. Phép đo vòng từ trễ trên hệ đo từ kế từ trường xung 60
3.6.4. Đánh giá sai số trong phép đo đường cong từ trễ 61
Chƣơng 4: Ảnh hƣởng của tỷ phần pha từ mềm và điều kiện công nghệ chế tạo
lên tính chất từ của vật liệu từ cứng tổ hợp nano nền Nd-Fe-B 63
4.1. Ảnh hƣởng của tốc độ trống quay, tỉ phần pha mềm Fe-Co lên vi cấu trúc
và tính chất từ của băng tổ hợp nano Nd-Fe-B/Fe-Co phun trực tiếp. 64
4.1.1. Lựa chọn tiền hợp kim FeCo và NdFeB 64
4.1.2. Băng từ cứng Nd
16

Fe
76
B
8
/20%wt.Fe
65
Co
35
70
4.1.3. Băng từ cứng Nd
16
Fe
76
B
8
/30%wt.Fe
65
Co
35
73
4.1.4. Băng từ cứng Nd
16
Fe
76
B
8
/40%wt.Fe
65
Co
35

78
4.2. Ảnh hƣởng của chế độ xử lý nhiệt và tỷ phần pha mềm Fe
65
Co
35
lên tính
chất từ của băng từ cứng Nd
16
Fe
76
B
8
/x%wt.Fe
65
Co
35
84
/

4.2.1. Khảo sát quy trình ủ nhiệt và phẩm chất từ cứng của các loại băng nguội
nhanh có tỉ phần Fe
65
Co
35
khác nhau 84
4.2.2. Đánh giá giới hạn của tỉ phần pha mềm trong băng nguội nhanh
nanocomposite Nd
16
Fe
76

B
8
/x%wt.Fe
65
Co
35
khi chế tạo trực tiếp 89
4.3. Chế tạo nam châm kết dính trên máy ép viên tự động SFJ-100KN 93
Kết luận chƣơng 4 97
Chƣơng 5: Ảnh hƣởng của từ trƣờng lên vi cấu trúc và phẩm chất từ của băng
nguội nhanh và nam châm kết dính hệ Nd-Fe-B/Fe-Co 99
5.1. Cải tiến thiết bị phun băng ZGK-1 99
5.2. Cơ sở lý thuyết của công nghệ phun băng nguội nhanh trong từ trƣờng 102
5.2.1. Ảnh hưởng của từ trường lên kích thước hạt trong băng nguội nhanh 102
5.2.2. Ảnh hưởng của từ trường lên giản đồ CCT của vật liệu tổ hợp. 105
5.2.3. Ảnh hưởng của từ trường lên sự định hướng tinh thể 106
5.3. Băng từ cứng Nd
16
Fe
76
B
8
/x%wt.Fe
65
Co
35
phun trong từ trƣờng. 107
5.3.1. Ảnh hưởng của từ trường lên vi cấu trúc và tính chất từ của băng nguội
nhanh Nd
16

Fe
76
B
8
/30%wt.Fe
65
Co
35
108
5.3.2. Ảnh hưởng của từ trường lên vi cấu trúc và tính chất từ của băng nguội
nhanh Nd
16
Fe
76
B
8
/40%wt.Fe
65
Co
35
. 115
5.3.3. Khả năng nâng cao tỷ phần pha từ mềm trong băng nguội nhanh dưới tác
động của từ trường. 124
5.4. Ép viên nam châm kết dính trong từ trƣờng. 130
Kết luận chƣơng 5. 136
Kết luận chung 137
Danh mục các công trình công bố 139
Tài liệu tham khảo 140

/

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT
I. Danh mục các ký hiệu
B
r

:
Cảm ứng từ dư
M
r
, J
r
:
Từ độ dư
M
s

:
Từ độ bão hòa
i
H
c
, H
c
:
Lực kháng từ nội tại

b
H
c

:
Lực kháng từ cảm ứng
(BH)
max
:

Tích năng lượng cực đại
H
N
:
Trường tạo mầm đảo từ
H
ext

:
Từ trường ngoài


:
Sức căng bề mặt

0

:
Độ từ thẩm của chân không
E

H

:
Năng lượng tĩnh từ
E
S

:
Năng lượng từ bị phân tán
E
ex

:
Năng lượng trao đổi
E
A

:
Năng lượng dị hướng từ tinh thể
T
C
:
Nhiệt độ Curie
K
1
, K
2
, K
3

:
Các hằng số dị hường từ tinh thể
H
A
:

Trường dị hướng
g

:

Thừa số Lande

B

:
Manheton Bohr
b
m
, b
k
:
Độ dày vùng pha từ mềm, độ dày vùng pha từ cứng
b
cm
:
Kích thước tới hạn hạt từ mềm
T
m

:
Nhiệt độ nóng chảy

G
T

:
Thay đổi năng lượng của hệ

G
V

:
Chênh lệch thế nhiệt động khi một đơn vị thể tích chất lỏng kết tinh.

H
f

:
Ẩn nhiệt nóng chảy
r
*

:
Kích thước mầm tới hạn


:
Độ cảm từ
/

R
:
Ký kiệu nguyên tố đất hiếm
D
:
Hệ số trường khử từ
M(T)
:
Đường từ nhiệt
M(H)
:
Đường từ trễ


:
Hệ số vuông góc


:
Độ thiên hướng tinh thể
II. Danh mục các chữ viết tắt
CCT
:
Giản đồ nhiệt chuyển pha nguội liên tục
FESEM
:
Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường
TTT
:

Giản đồ chuyển pha nhiệt độ - thời gian
VSM
:
Hệ từ kế mẫu rung
XRD
:
Nhiễu xạ tia X
PFM
:
Từ kế từ trường xung
PPMS
:
Hệ đo các tính chất vật lý
GĐNX
:
Giản đồ nhiễu xạ
THNNHP
:
Tổ hợp nano hai pha từ cứng/từ mềm
FAMS
:
Field Assisted Melt Spinning
(Phun nguội nhanh trong từ trường)
FUMS
:
Field UnAssisted Melt Spinning
(Phun nguội nhanh thông thường, H = 0)
MS
:
Phun nguội nhanh

Q&A
:
Nguội nhanh và ủ tái kết tinh
DQ
:
Nguội nhanh không ủ tái kết tinh
DSC
:
Phân tích nhiệt vi sai
AFM
:
Kính hiển vi lực nguyên tử
R
:
Tốc độ nguội.


/

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1: Các pha sắt từ và đặc tính từ của chúng ở nhiệt độ phòng
Bảng 1.2:Công nghệ chế tạo (MS: phun nguội nhanh), thành phần pha, kích thước
hạt trung bình và tính chất từ của một số vật liệu tổ hợp hai pha cứng mềm. Ký hiệu
Q&A là nguội nhanh và ủ tái kết tinh; DQ là nguội nhanh không ủ tái kết tinh.
Bảng 2.1: Số lượng hạt và kích thước trung bình của các lớp Ni đã kết tủa tại -1,1V
Bảng 2.2: Hằng số dị hướng của pha từ cứng Nd
2
Fe
14
B với kích thước hạt khác

nhau.
Bảng 4.1: Đặc trưng từ cứng của các mẫu băng Nd
16
Fe
76
B
8
/20%wt.Fe
65
Co
35
(tham
số tự khủ từ, D = 0,33)
Bảng 4.2: Đặc trưng từ tính của băng nguội nhanh Nd
16
Fe
76
B
8
/30%wt.Fe
65
Co
35

phụ thuộc vào vận tốc trống v (tham số tự khử từ, D = 0,33)
Bảng 4.3: Phẩm chất từ cứng của các băng nguội nhanh Nd
16
Fe
76
B

8
/x%wt.Fe
65
Co
35

đã ủ nhiệt (đã bổ chính tham số tự khử từ, D = 0,33).
Bảng 4.4: Phẩm chất từ tính của các mảnh băng nguội nhanh NFB-20
Bảng 4.5: Phẩm chất từ tính của các nam châm NFB-20 đã chế tạo
Bảng 5.1: Đặc tính từ của các băng Nd
16
Fe
76
B
8
/30%wt.Fe
65
Co
35
FUMS và FAMS.
Bảng 5.2: Bảng tổng kết các tham số từ của hai mẫu băng có hợp phần Nd
16
Fe
76
B
8
/
40%wt.Fe
65
Co

35
, tham số tự khử từ được bổ chính D = 0,33.
Bảng 5.3: Từ độ dư (M
r
), trường kháng từ nội tại (
i
H
c
), trường kháng từ cảm ứng
(
b
H
c
), tích năng lượng từ (BH)
max
của 3 mẫu băng có hợp phần
Nd
16
Fe
76
B
8
/50%wt.Fe
65
Co
35



/

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Các mẫu nam châm đất hiếm có vi cấu trúc lý tưởng. a) (loại I): Nam
châm có lớp mỏng thuận từ giữa các hạt từ cứng; b) (loại II): Nam châm đơn pha
tương tác trao đổi; c) (loại III): Nam châm nano tổ hợp hai pha cứng/mềm (các
vùng trắng là các hạt từ cứng; các vùng sẫm là các hạt từ mềm.
Hình 1.2: Cấu trúc tinh thể pha Nd
2
Fe
14
B.
Hình 1.3: Giản đồ pha của hệ Nd-Fe-B tại mặt cắt với Nd:B = 2:1.
Hình 1.4: Đường cong từ trễ của một nam châm lý tưởng (đường J-H và B-H).
Hình 1.5: Thí nghiệm Stern – Gerlach xác định giá trị spin của nguyên tử Hydro.
Hình 1.6: Nguyên tắc sắp xếp các mức năng lượng theo Aufbau.
Hình 1.7: Mô hình vị trí lớp điện tử lẻ cặp: (a) - Nd, (b) - Fe.
Hình 1.8: Cấu trúc và sự dịch chuyển vùng năng lượng của nguyên tử Fe.
Hình 1.9: Đường cong Slater-Pauling.
Hình 1.10: Sơ đồ Campell miêu tả tương tác giữa điện tử 4f của nguyên tố đất hiếm
nhẹ (a) và đất hiếm nặng (b) với điện tử 3d thông qua điện tử 5d.
Hình 1.11: Mô hình một chiều của vi cấu trúc và cấu trúc vi từ của vật liệu tổ hợp
liên kết trao đổi dùng để tính toán các kích thước tới hạn của các miền pha từ.
Hình 1.12: Các đường cong khử từ của nam châm hai pha với vi cấu trúc tối ưu
(a), với vi cấu trúc chưa tối ưu (b), với vi cấu trúc của nam châm đơn pha truyền
thống (c) và của nam châm là hỗn hợp độc lập của hai pha từ cứng - từ mềm (d).
Hình 1.13: a) Mô hình một hạt từ mềm hình cầu với kích thước hạt D nằm trong
một nền từ cứng. b) Một cấu trúc có thể nâng cao từ độ dư với nhiều hạt từ mềm
trong một đơn vị thể tích.
Hình 1.14: Trường nảy mầm H
N

là hàm của kích thước hạt.
Hình 1.15: Sơ đồ mô tả ảnh hưởng của tương tác giữa các miền từ mềm với nhau.
Hình 1.16: Các cấu trúc có thể của một nam châm hai pha tối ưu: cấu trúc bất trật
tự a) và cấu trúc đa lớp b).
/

Hình 1.17: Đường cong khử từ của các nam châm hai pha đẳng hướng với các tỷ
phần thể tích pha từ mềm khác nhau.Đường nét liền có kích thước hạt là 10 nm và
nét đứt có kích thước hạt là 20 nm.
Hình 1.18: Sự phụ thuộc của (a) từ độ dư và lực kháng từ, (b) tích năng lượng của
nam châm hai pha theo tỷ phần thể tích pha từ mềm. Đường nét liền có kích thước
hạt là 10 nm còn đường nét đứt là 20 nm.
Hình 1.19: Sơ đồ minh hoạ đường khử từ của nam châm hai pha.
Hình 1.20: Nam châm Nd-Fe-B trên cơ sở 3 kiểu cấu trúc nano (1 kiểu cấu trúc
đơn pha và 2 kiểu cấu trúc hai pha) và 3 hợp phần tương ứng.
Hình 1.21: Giản đồ TTT đối với sự kết tinh của tổ hợp hai pha (A và B).
Hình 1.22: Giản đồ TTT: a) hệ α-Fe/Nd
2
Fe
14
; b) hệ Fe
3
B/Nd
2
Fe
14
B.
Hình 1.23: a) Ảnh phân tích nhiệt hồng ngoại; b) Đường nguội được dựng trên cơ
sở ảnh nhiệt cho các vận tốc trống khác nhau.
Hình 1.24: Giản đồ TTT cho hợp phần Nd

4,5
Fe
77
B
18,5
ứng với các vận tốc trống
khác nhau.
Hình 2.1: Điều kiện hình thành mầm.
Hình 2.2: a) Sự phụ thuộc của tốc độ tạo mầm vào nhiệt độ, b) sự phụ thưộc thời
gian tạo mầm vào nhiệt độ
Hình 2.3: Đường cong chữ C biểu diễn quá trình tạo mầm trong chuyển pha. (1) là
đường nguội chậm, (2) là đường nguội nhanh.
Hình 2.4: Biểu đồ định hướng của Azobenzene trong từ trường.
Hình 2.5: Sự thay đổi năng lượng từ tự do nội (liên quan đến sự thay đối
entropy)(đường liền) và năng lượng từ tự do ngoại (do sự tác động của trường
ngoài lên từ độ của hệ).
Hình 2.6: Ảnh AFM của các lớp Ni đã kết tủa bằng phương pháp điện hoá với thế
điện cực -1,1V trong trường hợp không có từ trường và trường hợp có từ trường
(B=0,7T).
/

Hình 2.7: Các cấu trúc đóng rắn theo mặt cắt dọc của mẫu nhôm nguyên chất với
mật độ từ trường khác nhau: (a) 0 T; (b) 0,049 T; (c) 0,072 T; (d) 0,126 T; (e)
0,143 T; (f) 0,154 T; (g) 0,175 T; (h) 0,187 T; và (i) 0,204 T.
Hình 2.8: Các cấu trúc đóng rắn theo mặt cắt ngang của mẫu nhôm nguyên chất
với mật độ từ trường khác nhau: (a) 0 T; (b) 0,049 T; (c) 0,072 T; (d) 0,126 T; (e)
0,143 T; (f) 0,154 T; (g) 0,175 T; (h) 0,187 T; và (i) 0,204 T.
Hình 2.9: Đường từ độ đo tại nhiệt độ phòng của mẫu SmCo làm lạnh với H
t
= 0

(02 đường ở giữa) và trường hợp đóng rắn trong từ trường 5 T (đường liền nét là đo
theo hướng song song với từ trường trong quá trình làm lạnh và đường nét đứt là đo
theo hướng vuông góc).
Hình 2.10: Các đường từ độ thực nghiệm (điểm thí nghiệm) và lý thuyết (đường liền
nét) của mẫu đa tinh thể Nd
2
Fe
14
B được nấu chảy và đóng rắn trong từ trường, H =
7,5 T. Hướng đo từ song song với từ trường H (vòng tròn đen), vuông góc với từ
trường H (vòng tròn trắng - phía dưới)
Hình 2.11: Đường cong từ trễ của hợp kim Nd
40
Co
15
Fe
30
Al
10
B
5
đo trong theo
hướng song song và vuông góc với hướng từ trường khi đúc: a) H = 0,25 T, b) H =
0 T.
Hình 2.12: Hằng số dị hướng như hàm của nhiệt độ với các giá trị khác nhau của
từ trường ủ.
Hình 2.13: Hình thái học và đường khử từ của mẫu băng (v=9m/s) được ủ tại 740
o
C trong từ trường H = 0 T và H = 10 T.
Hình 2.14: Đường khử từ của hợp kim (Fe

0,53
Nd
0,37
Al
l0,10
)
96
B
4
được ủ tại nhiệt độ
523
o
C trong thời gian 30 phút: a) H = 5 T; b) H = 0 T.
Hình 2.15: Giản đồ TTT của chuyển pha martensitic dưới từ trường 0 và 1 T.

Hình 3.2: a) Ảnh hệ nấu hợp kim hồ quang: (1) Bơm hút chân không, (2) Buồng nấu
mẫu, (3) Tủ điều khiển, (4) Bình khí Ar, (5) Nguồn điện, b) Ảnh bên trong buồng
nấu: (6) Điện cực, (7) Nồi nấu, (8) Cần lật mẫu.
/

Ảnh mô phỏng thiết bị phun mảnh hợp kim nguội nhanh Nd-Fe-B trên
trống đồng.
Hình 3.4: a) Thiết bị phun băng nguội nhanh ZGK-1: 1. Bơm hút chân không, 2.
Buồng mẫu, 3. Nguồn phát cao tần. b) Bên trong buồng tạo băng: 4. Trống quay, 5.
Vòng cao tần, 6. Ống thạch anh.

Hình 3.6: M SFJ- 100KN và khuôn, chày ép viên
Hình 3.7: Thiết bị Siemen D5000.
Hình 3.8: Kính hiển vi điện tử quét HITACHI S-4800.
Hình 3.9: Sơ đồ hệ đo DSC.

Hình 3.10: Ảnh hệ đo VSM.
Hình 3.11: Ảnh chụp hệ PPMS 6000
Hình 3.12: Sơ đồ nguyên lý hệ đo từ trường xung.
Hình 3.13:

Hệ đo từ trường xung.
Hình 3.14: Đường từ trễ của mẫu Nd
16
Fe
76
B
8
/30%wt.Fe
65
Co
35
được phun trong
cùng điều kiện công nghệ trong hai lần phun khác nhau.
Hình 3.15: Đường từ trễ của mẫu hợp băng Nd
16
Fe
76
B
8
/30%wt.Fe
65
Co
35
đo trên
hệ đo PPMS (H

ext
~ 20 kOe) và hệ PFM (H
ext
~ 30 kOe).
Hình 4.1: GĐNX tia X chụp kiểu mẫu bột của tiền hợp kim Nd
16
Fe
76
B
8
.
Hình 4.2: a) Độ từ thẩm và từ độ bão hòa của hợp kim FeCo theo %at. Co.
Hình 4.3: Giản đồ nhiễu xạ của hợp kim Fe
65
Co
35
.
Hình 4.4: Ảnh FESEM độ dày của các băng Nd
16
Fe
76
B
8
/20%wt.Fe
65
Co
35
: a) Băng
phun theo kiểu áp suất dương; b) băng phun theo kiểu áp suất âm.
Hình 4.5: Đường M(H) của hai mẫu băng Nd

16
Fe
76
B
8
/20%wt.Fe
65
Co
35
được phun
với các điều kiện công nghệ gần giống nhau, chỉ khác: a) Phun theo kiểu áp suất
/

dương; b) phun theo kiểu áp suất âm. Khối lượng mẫu đo

60 mg và được lấy ngẫu
nhiên từ lượng băng

20 g trong mỗi lần phun băng.
Hình 4.6: GĐNX tia X của các băng nguội nhanh Nd
16
Fe
76
B
8
/20%wt.Fe
65
Co
35
: a) v

= 25 m/s; b) v = 22 m/s; c) v = 20 m/s; d) v = 18 m/s; e) v = 12 m/s.
Hình 4.7: Ảnh FESEM các mẫu băng Nd
16
Fe
76
B
8
/20%wt.Fe
65
Co
35
: a) v= 25 m/s; b)
v=20 m/s; c) v= 12 m/s.
Hình 4.8: Đường cong từ trễ của các mẫu băng Nd
16
Fe
76
B
8
/20%wt.Fe
65
Co
35
: a) v
= 25 m/s; b) v = 22 m/s; c) v = 20 m/s; d) v = 18 m/s; e) v = 12 m/s.
Hình 4.9: GĐNX tia X của các mẫu băng Nd
16
Fe
76
B

8
/30%wt.Fe
65
Co
35
ứng với các
vận tốc trống khác nhau: a) v= 20 m/s; b) v = 25 m/s; c) v = 30 m/s.
Hình 4.10: Ảnh FESEM của các mẫu băng Nd
16
Fe
76
B
8
/30%wt.Fe
65
Co
35
phun ở tốc
độ 20 m/s (a), 25 m/s (b), 30 m/s (c).
Hình 4.11: a) Đường phân tích nhiệt vi sai, b) đường từ nhiệt của băng Nd
16
Fe
76
B
8

/30%wt.Fe
65
Co
35

phun tại tốc độ trống 25 m/s.
Hình 4.12: Đường từ trễ đại diện của các mẫu băng Nd
16
Fe
76
B
8
/30%wt.Fe
65
Co
35

với vận tốc v = 20 m/s (đường a), 25m/s (đường b) và 30 m/s (đường c).
Hình 4.13: a) Đường M(H) của các mẫu băng Nd
16
Fe
76
B
8
/40%wt.Fe
65
Co
35
được
phun với vận tốc trống, v = 25, 31, 35 m/s, b) đường M(H), B(H) và (BH)
max
của
băng nguội nhanh phun với vận tốc trống v = 31 m/s.
Hình 4.14: Sự phụ thuộc của
i

H
c,
M
r
và (BH)
max
vào tốc độ trống quay v.
Hình 4.15: GĐNX tia X và ảnh FESEM của mẫu băng
Nd
16
Fe
76
B
8
/40%wt.Fe
65
Co
35
phun với v = 31 m/s.
Hình 4.16: GĐNX tia X và ảnh FESEM của mẫu băng Nd
16
Fe
76
B
8
/40%wt.Fe
65
Co
35

phun với v = 25m/s.
Hình 4.17: GĐNX tia X và ảnh FESEM của mẫu băng Nd
16
Fe
76
B
8
/40%wt.Fe
65
Co
35

phun với v = 35m/s.
/

Hình 4.18: Đường từ nhiệt của băng Nd
16
Fe
76
B
8
/40%wt.Fe
65
Co
35
được phun nguội
nhanh tại vận tốc trống 31 m/s đo theo chu trình tăng và giảm nhiệt độ. Mẫu được
bắt đầu đo ở trạng thái khử từ nhiệt, từ trường ngoài một chiều 0,5 kOe được duy
trì trong suốt quá trình đo.
Hình 4.19: Đường phân tích nhiệt DSC của các mẫu băng nguội nhanh

Nd
16
Fe
76
B
8
/x%wt.Fe
65
Co
35
: a) x=20, b) x= 30 và c) x= 40. Băng được phun với vận
tốc trống tối ưu tương ứng, v = 20, 25 và 31 m/s.
Hình 4.20: Đường M(H) của các mẫu băng nguội nhanh
Nd
16
Fe
76
B
8
/20%wt.Fe
65
Co
35
(I) và Nd
16
Fe
76
B
8
/30% wt.Fe

65
Co
35
(II): a) chưa ủ
nhiệt; b) ủ 400
o
C; c) ủ 500
o
C; d) ủ 600
o
C; e) ủ 700
o
C. Thời gian ủ cho tất cả các
mẫu là 10 phút.
Hình 4.21: Đường M(H) của các mẫu băng nguội nhanh có hợp phần
Nd
16
Fe
76
B
8
/40%wt.Fe
65
Co
35
: a) băng chưa ủ; b) ủ tại 500
o
C; c) ủ tại 600
o
C; d) ủ

tại 700
o
C. Thời gian ủ cho tất cả các mẫu là 10 phút.
Hình 4.22: GĐNX tia X của các mẫu băng hợp phần Nd
16
Fe
76
B
8
/x%wt. Fe
65
Co
35

với hàm lượng pha mềm: a) x = 20, vận tốc v =20m/s; b) x = 30, v =25 m/s; c) x =
40, v =31 m/s d) x = 50, v =35m/s.
Hình 4.23: Sự phụ thuộc của lực kháng từ vào tốc độ nguội của các hệ mẫu băng
với hàm lượng pha từ mềm Fe
65
Co
35
khác nhau.
Hình 4.24: Đường M(H) của các mẫu băng Nd
16
Fe
76
B
8
/50%wt.Fe
65

Co
35
phun tại
v=35 m/s: a) chưa ủ, b) ủ 600
o
C, c) ủ 700
o
C, d) ủ 800
o
C.
Hình 4.25: Đường M(H), B(H) và (BH)max của băng nguội nhanh NFB-20 (M2).
Hình 4.26: a) Ảnh chụp bột NFB-20 đã trộn chất kết dính; b) Ảnh FESEM của bột
NFB-20 đã trộn chất kết dính.
Hình 4.27. GĐNX tia X của bột NFB-20.
Hình 4.28: a) Ảnh chụp các viên nam châm được chế tạo; b) Đặc tính từ của mẫu
nam châm NFB20 (mẫu N4).
/

Hình 5.1: a) Ảnh vành đồng và mặt bích; b) Ảnh mặt bích tháo rời.
Hình 5.2: Bản vẽ kỹ thuật 3D của vành đồng phù hợp với hệ ZGK-1.
Hình 5.3: Bản vẽ 2D cho việc ghép nam châm tạo từ trường trên mặt trống.
Hình 5.4: Độ lớn của từ trường trên bề mặt trống đồng.
Hình 5.5: Biểu đồ giải thích cho: a) Ảnh hưởng của từ trường lên năng lượng hoạt
động hình thành mầm và kích thước mầm tới hạn; b) khả năng thu hẹp phân bố kích
thước hạt dưới tác động của từ trường.
Hình 5.6: Giản đồ CCT của hệ Nd-Fe-B/Fe-Co cho băng FUMS (a) và băng FAMS
(b).
Hình 5.7: Hình ảnh minh chứng băng nhiễm từ ngay khi phun trong từ trường H =
3,2 kOe.
Hình 5.8: GĐNX tia X chụp kiểu mẫu bột của các mẫu băng

Nd
16
Fe
76
B
8
/30%wt.Fe
65
Co
35
FUMS ứng với các vận tốc trống quay: a) v = 24m/s;
b) v = 26m/s; c) v = 30 m/s; d) v = 36 m/s.
Hình 5.9: GĐNX tia X của các mẫu băng Nd
16
Fe
76
B
8
/30%wt.Fe
65
Co
35
FAMS ứng
với các vận tốc trống quay: a) v = 24 m/s; b) v = 26 m/s; c) v = 30 m/s; d) v = 36
m/s.
Hình 5.10: Ảnh FESEM của các mẫu băng Nd
16
Fe
76
B

8
/30%wt.Fe
65
Co
35
: a) v =
24m/s, H = 0; b) v = 24 m/s, H = 3,2 kOe; c) v = 36 m/s, H = 0; d) v =36 m/s,
H=3,2 kOe.
Hình 5.11: GĐNX tia X của các mẫu băng Nd
16
Fe
76
B
8
/30%wt.Fe
65
Co
35
phun với
vận tốc v = 30 m/s: a) Mặt tiếp xúc của băng FUMS; b) Mặt tiếp xúc của băng
FAMS; c) Mặt tự do của băng FUMS; d) Mặt tự do của băng FAMS.
Hình 5.12: Đường từ nhiệt của mẫu băng Nd
16
Fe
76
B
8
/30%wt.Fe
65
Co

35
: FUMS (a)
và FAMS (b). Từ trường ngoài đặt vào được giữ không đổi trong suốt quá trình đo,
H
ext
= 0,5 kOe.
/

Hình 5.13:Vòng từ trễ M(H) của các mẫu băng Nd
16
Fe
76
B
8
/30%wt.Fe
65
Co
35
FUMS
(a) và FAMS (b). Vận tốc trống đồng v = 30 m/s.
Hình 5.14: Đường cong từ trễ của các mẫu băng Nd
16
Fe
76
B
8
/30%wt.Fe
65
Co
35

:a)
băng FUMS; b) băng FAMS.
Hình 5.15: Giản đồ nhiễu xạ tia X của: a) hợp kim Fe
65
Co
35
; b) hợp kim
Nd
16
Fe
76
B
8;
c) băng FUMS Nd
16
Fe
76
B
8
/40%wt.Fe
65
Co
35
, v = 34m/s; d) băng FAMS
Nd
16
Fe
76
B
8

/40%wt.Fe
65
Co
35
, v = 30 m/s. Các đường nét đứt ứng cho biết góc 2


ứng với các đỉnh nhiễu xạ của pha Fe
65
Co
35
. Các mẫu được nghiền mịn trước khi
phân tích.
Hình 5.16: GĐNX chụp trên mặt tự do của các băng nguội nhanh
Nd
16
Fe
76
B
8
/40%wt.Fe
65
Co
35
: a) băng FUMS, v = 34m/s; b) băng FAMS, v= 30 m/s.
Hình 5.17: Ảnh FESEM của các mẫu băng nguội nhanh
Nd
16
Fe
76

B
8
/40%wt.Fe
65
Co
35
: a) băng FUMS với v
opt
= 34 m/s; b) băng FAMS với
v
opt
= 30m/s.
Hình 5.18: Giản đồ DSC của mẫu băng Nd
16
Fe
76
B
8
/40%wt.Fe
65
Co
35
. Mẫu được giữ
trong môi trường khí trơ Ar và tốc độ nâng nhiệt là 20
o
C/phút: a) băng FUMS với
v = 34 m/s, b) băng FAMS với v = 30 m/s.
Hình 5.19: Đường M(T) đo trên hệ VSM trong từ trường đo 0,5 kOe của băng hợp
phần Nd
16

Fe
76
B
8
/40%wt.Fe
65
Co
35
FUMS (a) và FAMS (b). Trong cả hai trường,
hợp cấu trúc lõi từ mềm/vành từ cứng đã được hình thành, tuy nhiên tác động của
từ trường làm vành từ cứng dày và bao lõi từ mềm kín hơn nên giữ từ độ tăng yếu
khi nhiệt độ tăng đến tận 300 thay vì 200
o
C trong trường hợp phun với H = 0. Tỷ lệ
V
h
/V
s
giữa tỷ phần pha cứng so với pha mềm tăng lên rõ rệt trong trường hợp băng
được phun trong 3,2 kOe.
Hình 5.20: Đường cong từ trễ của các mẫu băng Nd
16
Fe
76
B
8
/40%wt.Fe
65
Co
35

: a)
băng FUMS, v
opt
= 34m/s; b) băng FAMS, v
opt
=30 m/s.
Hình 5.21: GĐNX tia X chụp kiểu mẫu bột của các mẫu băng FUMS
Nd
16
Fe
76
B
8
/40%wt. Fe
65
Co
35
: a) v = 25 m/s; b) v = 30 m/s; c) v = 37 m/s.
/

Hình 5.22: GĐNX tia X chụp kiểu mẫu bột của các mẫu băng FAMS
Nd
16
Fe
76
B
8
/40%wt. Fe
65
Co

35
: a) v = 25m/s; b) v = 30 m/s; c) v=37 m/s.
Hình 5.23: Ảnh FESEM của các mẫu băng Nd
16
Fe
76
B
8
/40%wt.Fe
65
Co
35
FUMS và
FAMS: a) v = 25 m/s, H = 0; b) v = 25 m/s, H = 3.2 kOe; c) v = 37 m/s, H = 0; d) v
= 37 m/s, H =3,2 kOe.
Hình 5.24: Đường cong từ trễ của các mẫu băng Nd
16
Fe
76
B
8
/40%wt.Fe
65
Co
35
:
FUMS (a);FAMS (b).
Hình 5.25: Kết quả mô phỏng sự phụ thuộc của (BH)
max
vào tỉ phần thể trọng lượng

pha từ mềm.
Hình 5.26: GĐNX tia X của 3 mẫu băng có hợp phần Nd
16
Fe
76
B
8
/50%wt.Fe
65
Co
35
:
a) băng FUMS; b) băng FUMS được ủ nhiệt tại 700
o
C trong 10 phút; c) băng
FAMS. Các băng được nghiền mịn trước khi phân tích.
Hình 5.27: Ảnh FESEM các mẫu băng có hợp phần Nd
16
Fe
76
B
8
/50%wt.Fe
65
Co
35
:
a) Băng FUMS; b) băng FUMS được ủ nhiệt tại 700
o
C trong 10 phút; c) băng

FAMS.
Hình 5.28: Đường phụ thuộc vào nhiệt độ của từ độ, M(T), của băng
Nd
16
Fe
76
B
8
/50%wt.Fe
65
Co
35
FUMS (a) và FAMS (b)đo theo chu trình tăng và giảm
nhiệt độ trong từ trường đo 0,5 kOe, M
r
*
là từ độ tại nhiệt độ phòng của đường hạ
nhiệt.
Hình 5.29: Đường M(H) của các mẫu băng có hợp phần
Nd
16
Fe
76
B
8
/50%wt.Fe
65
Co
35
: a) băng FUMS; b) băng FUMS được ủ nhiệt tại 700

o
C trong 10 phút; c) băng FAMS.
Hình 5.30: GĐNX tia X chụp trên mặt của nam châm kết dính chế tạo dùng băng
Nd
16
Fe
76
B
8
/40%wt.Fe
65
Co
35
FAMS. Từ trường định hướng các hạt bột khi ép có giá
trị 18 kOe, hướng vuông góc với mặt đã chụp GĐNX.
Hình 5.31: GĐNX tia X chụp trên mặt của viên nam châm (bột nam châm nghiền từ
băng Nd
16
Fe
76
B
8
/40%wt.Fe
65
Co
35
FAMS với vận tốc nhỏ 20 m/s, trộn với epoxy và
/

đóng rắn hình thành viên nam châm trong từ trường định hướng 20 kOe). Từ

trường định hướng các hạt bột có hướng vuông góc với bề mặt đã chụp GĐNX.
Hình 5.32: GĐNX tia X chụp trên mặt của viên nam châm kết dính chế tạo dùng
băng Nd
16
Fe
76
B
8
/40%wt.Fe
65
Co
35
FAMS với vận tốc nhỏ 20 m/s. Từ trường định
hướng các hạt bột có hướng vuông góc với mặt đã chụp GĐNX.
Hình 5.33: Đường cong khử từ của nam châm kết dính chế tạo dùng băng nguội
nhanh Nd
16
Fe
76
B
8
/40%wt.Fe
65
Co
35
FAMS, với vận tốc nhỏ 20 m/s. Mẫu đo được cắt
thành hình khối chữ nhật có cạnh dài gấp 3 các cạnh còn lại và hướng song song,
vuông góc với hướng của từ trường định hướng dùng khi ép viên nam châm.
/
1

MỞ ĐẦU
Trong tự nhiên, từ tính có lẽ là đặc tính vật lý kỳ diệu và bí ẩn nhất. Lần đầu
tiên, đặc tính từ của oxít sắt tự nhiên Fe
3
O
4
(lodestone) được nhà triết học Hy Lạp
Thales of Miletus

nhắc đến vào khoảng 600 năm trước công nguyên. Tuy nhiên,
các nghiên cứu về từ học chỉ bắt đầu với sự ra đời của bộ sách Electricity and
Magnetism của William Girlbert vào năm 1600.
Các vật liệu từ cứng thương phẩm dùng để chế tạo nam châm vĩnh cửu đã xuất
hiện lần đầu tiên vào năm 1740 ở Châu Âu [54], nhưng từ tính của các nam châm
này vẫn yếu và không bền. Những nỗ lực nghiên cứu và khám phá ra vật liệu từ
cứng có phẩm chất từ tốt hơn chỉ có thể trở thành hiện thực sau khi Michael
Faraday (1791-1867) tìm ra định luật cảm ứng điện từ vào năm 1855. Hơn nửa thế
kỷ sau (vào năm 1917) con người đã thành công trong việc chế tạo ra nam châm
thép cobalt, đây được coi là điểm mốc của quá trình khám phá và hoàn thiện các vật
liệu từ cứng.
Trong quá trình phát triển vật liệu từ cứng, sự phát hiện ra pha từ cứng 3
nguyên Nd
2
Fe
14
B có thể nói là bước ngoặt vĩ đại. Năm 1983 Sawaga và cộng sự ở
công ty Sumitomo (Nhật Bản) đã khám phá ra pha từ cứng này. Bằng phương pháp
luyện kim bột tương tự như phương pháp đã sử dụng chế tạo nam châm Sm-Co
[67], họ đã chế tạo nam châm Nd-Fe-B loại thiêu kết từ hợp kim có thành phần

Nd
15
Fe
77
B
8
với B
r
= 12 kG, H
c
= 12,6 kOe, (BH)
max
= 36,2 MGOe. Cùng trong thời
gian đó, một cách độc lập, Croat và cộng sự ở công ty General Motors (Mỹ) cũng
đã chế tạo được nam châm vĩnh cửu dựa trên pha ba thành phần Nd
2
Fe
14
B theo
công nghệ nguội nhanh có: B
r
= 8 kG, H
c
= 14 kOe và (BH)
max
= 14 MGOe [49].
Đánh giá lý thuyết về khả năng sử dụng tương tác trao đổi trong vi cấu trúc tổ
hợp các hạt kích thước nano của hai pha từ cứng, từ mềm của Kneller và Hawig
[55] đã mở ra một triển vọng mới cho những nỗ lực nâng cao tích năng lượng từ của
nam châm vĩnh cửu có cấu trúc tổ hợp nano hai pha từ cứng/từ mềm (THNNHP).

Tuy nhiên, cho đến nay các kết quả nghiên cứu [36, 63, 99, 104, 118, 124] cho thấy,
giá trị (BH)
max
của các nam châm THNNHP chưa vượt xa được ngưỡng 20 MGOe,
/
2

chủ yếu tập trung trong khoảng 12 đến 18 MGOe, các mẫu đều ở dạng nghiên cứu,
các quy trình công nghệ đều có quy mô phòng thí nghiệm. Một vài công trình thông
báo kết quả vượt ngưỡng [33, 120] khi dùng những công nghệ phức tạp. Giá trị 20,3
MGOe đạt được trong [120] do sử dụng đa nguyên của hợp kim ban đầu
(Pr,Tb)
2
(Fe,Nb,Zr)
14
B/α-Fe và sự kiểm soát vi cấu trúc để có được phân bố đồng
nhất của α-Fe. Giá trị trên 20 MGOe của các mẫu băng nguội nhanh đẳng hướng
công bố trong [33] đạt được do kiểm soát được nhiệt độ nóng chảy T
m
của hợp kim
trước khi phun trên trống đồng. Cũng sử dụng kỹ thuật kiểm soát nhiệt độ nóng
chảy T
m
của hợp kim trước khi phun xuống mặt trống đồng, công trình [113] đã đạt
được kết quả gần 17 MGOe đối với băng được tạo ra trực tiếp khi T
m
= 1350
o
C.
Theo các tác giả trong [113] thì khi T

m
cao, hợp kim lỏng có độ đồng nhất tốt hơn
và sự phát triển tinh thể tại mặt tự do của băng theo hướng (320) và (517) thay vì
(00l) như các công trình của nhóm tác giả báo cáo trước đó. Và đặc biệt, tích năng
lượng từ cực đại đạt được trong công trình [117] là 26,2 MGOe, do tạo được pha
biên hạt NbC có độ đồng nhất cao. Các mẫu nam châm THNNHP chất lượng cao kể
trên rất khó chế tạo và do vậy việc ứng dụng chúng chưa được thực hiện.
Ngày nay, khoa học công nghệ ngày càng phát triển và được ứng dụng một
cách nhanh chóng vào cuộc sống. Các thiết bị được cải tiến không ngừng nhằm đem
lại sự tiện dụng, nhiều tính năng mới cho người sử dụng và cũng để tạo ra những
sản phẩm ưu việt hơn, cạnh tranh hơn. Thực tiễn cuộc sống đã và đang đòi hỏi cần
có những vật liệu từ cứng chất lượng cao hơn và giá thành thấp hơn nữa. Chính vì
vậy, việc những nghiên cứu các công nghệ mới để có thể tạo ra vật liệu và nam
châm THNNHP vẫn tiếp tục là mối quan tâm hàng đầu hiện nay của nhiều trung
tâm từ học trên thế giới.
Luận án này được tiến hành theo định hướng cải tiến công nghệ chế tạo, đó
là nghiên cứu phát triển công nghệ phun băng nguội nhanh THNNHP trong từ
trường. Công nghệ này sử dụng từ trường như là một tham số công nghệ tác động
lên quá trình hình thành băng nhằm làm mịn và gia tăng tính dị hướng của các vi
hạt, cải thiện tương tác trao đổi giữa hai pha trong một cấu trúc tổ hợp nano thích
hợp, để tiếp tục nâng cao phẩm chất từ của nam châm THNNHP. Vật liệu được
/
3

quan tâm trong các thí nghiệm công nghệ mới này được lựa chọn là hệ Nd-Fe-B/Fe-
Co do đặc trưng từ tính ưu việt vốn có của chúng. Ngoài ra, công nghệ phun băng
trực tiếp để tạo băng nguội nhanh THNNHP Nd-Fe-B/Fe-Co chất lượng cao mà
không cần đến quá trình ủ tái kết tinh sau phun cũng được nghiên cứu phát triển.
Mục tiêu của luận án:
1. Cải tiến thiết bị phun băng nguội nhanh thương mại ZGK-1 thành thiết bị phun

băng nguội nhanh trong từ trường phục vụ hướng nghiên cứu của luận án.
2. Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm về tác động của từ trường lên quá trình
hình thành băng nguội nhanh, vi cấu trúc và tính chất từ của chúng.
3. Nghiên cứu công nghệ phun trực tiếp băng THNNHP hệ Nd-Fe-B/Fe-Co chất
lượng cao.
4. Nghiên cứu công nghệ chế tạo nam châm kết dính sử dụng các băng phun nguội
nhanh đã chế tạo được.
Luận án sử dụng các phƣơng pháp nghiên cứu:
1. Phương pháp phun băng nguội nhanh thông thường với việc tối ưu hóa các điều
kiện công nghệ để chế tạo băng chất lượng cao một cách trực tiếp.
2. Phương pháp phun băng nguội nhanh trong từ trường.
3. Phương pháp ép viên trong từ trường và ép thường bột được tẩm keo phi từ.
4. Phương pháp xác định thành phần pha bằng chụp và phân tích giản đồ nhiễu xạ
(GĐNX) tia X kiểu mẫu bột, xác định thiên hướng tinh thể bằng phân tích
GĐNX tia X trên bề mặt của mẫu băng.
5. Nghiên cứu hình thái học của mẫu nghiên cứu bằng việc chụp và phân tích các
ảnh chụp trên kính hiển vi quét độ phân giải cao FESEM.
6. Nghiên cứu nhiệt động học chuyển pha của các mẫu băng chế tạo qua phép phân
tích nhiệt vi sai (DSC).
7. Xác định nhiệt độ Curie của các mẫu băng có tỉ phần pha mềm Fe-Co khác nhau
bằng phép phân tích từ độ của mẫu băng biến đổi theo nhiệt độ M(T) trong từ
trường nhỏ 0,5 kOe trên hệ từ kế mẫu rung (VSM). Phân tích đường M(T) để
/
4

đưa ra xét đoán về sự tối ưu hóa vi cấu trúc tổ hợp nano hai pha từ cứng, từ
mềm.
8. Xác định tính chất từ của băng và trên hệ từ kế từ trường xung (PFM) và hệ đo
các tính chất vật lý (PPMS).
Bố cục của luận án

Luận án gồm phần mở đầu, kết luận và 5 chương: Chương 1 trình bày tổng
quan về vật liệu từ cứng tổ hợp hai pha từ cứng/từ mềm nền Nd-Fe-B, chương 2 là
tổng quan về ảnh hưởng của từ trường lên vi cấu trúc và tính chất của vật liệu,
chương 3 trình bày các kỹ thuật thực nghiệm sử dụng để thực hiện luận án, hai
chương cuối (chương 4 và 5) trình bày các kết quả nghiên cứu đã thu được về chế
tạo băng THNNHP Nd-Fe-B/Fe-Co phun trực tiếp và phun trong từ trường. Hai
chương này cũng bàn luận về ảnh hưởng của hợp phần và các tham số công nghệ,
và nhất là ảnh hưởng của từ trường lên vi cấu trúc và tính chất từ của chúng. Đồng
thời các kết quả về nghiên cứu chế tạo nam châm kết dính ép không có và có từ
trường cũng được trình bày trong hai chương này. Những kết quả chính của luận án
và định hướng phát triển tiếp tục công nghệ phun băng nguội nhanh trong từ trường
được trình bày trong phần cuối của luận án.
Ý nghĩa khoa học của luận án
Luận án trình bày cơ sở lý thuyết về ảnh hưởng của từ trường ngoài lên quá
trình kết tinh, và qua đó lên vi cấu trúc và các tính chất từ của băng nguội nhanh
THNNHP Nd-Fe-B/Fe-Co. Các kết quả thực nghiệm thu được đã minh chứng cho
sự đúng đắn của dự báo lý thuyết về tác động của từ trường làm giảm kích thước
hạt, thu hẹp phân bố kích thước hạt, gia tăng độ thiên hướng tinh thể (00l) của băng
hệ Nd-Fe-B/Fe-Co, nâng cao khả năng tạo cấu trúc tổ hợp lõi từ mềm, vành từ cứng
và cải thiện tương tác trao đổi giữa hai pha từ cứng, từ mềm. Những tác động này
đã cho thấy từ trường là một tham số quan trọng trong công nghệ phun băng nguội
nhanh và minh chứng cho khả năng tiềm tàng của công nghệ phun băng nguội
nhanh trong từ trường để chế tạo các băng THNNHP chất lượng cao.
Luận án cũng trình bày khả năng chế tạo băng THNNHP chất lượng cao Nd-
Fe-B/Fe-Co một cách trực tiếp, không cần đến quá trình ủ tái kết tinh sau phun do
/
5

sử dụng các tiền hợp kim một cách thích hợp cùng với việc áp dụng kỹ thuật phun
băng kiểu áp suất âm.

Kết quả chính của luận án:
- Đã nghiên cứu và chế tạo hệ trống đồng có từ trường bề mặt 3,2 kOe tương
thích với hệ phun băng ZGK-1. Đã phát triển công nghệ phun băng nguội
nhanh trong từ trường sử dụng hệ trống đồng này.
- Đã tính toán xác định cơ sở lý thuyết và minh chứng bằng thực nghiệm tác
dụng của từ trường lên quá trình hình thành vi cấu trúc của băng nguội
nhanh: 1) giảm kích thước mầm, giảm kích thước hạt và thu hẹp phân bố
kích thước hạt; 2) làm tăng độ định hướng tinh thể (00l) của các băng và 3)
cải thiện vi cấu trúc tổ hợp lõi từ mềm, vành từ cứng.
- Phát hiện ảnh hưởng tích cực của từ trường 3,2 kOe trong việc nâng cao tỉ
phần pha mềm khi phun băng THNNHP. Vi cấu trúc của băng nguội nhanh
phun trực tiếp trong từ trường 3,2 kOe vẫn được hình thành thích hợp khi tỉ
phần pha mềm lên đến 50%wt. (so với nền pha từ cứng), giá trị tích năng
lượng từ (BH)
max
của băng đạt 16,1MGOe.
- Đã nghiên cứu và xác định các điều kiện công nghệ phun băng nguội nhanh
trực tiếp để chế tạo các băng có hợp phần Nd
16
Fe
76
B
8
/x%wt.Fe
65
Co
35
(x =
20, 30 và 40). Tích năng lượng từ cực đại cho các hợp phần kể trên tương
ứng là 14,3, 16,4 và 18,6 MGOe.

- Các băng nguội nhanh thu nhận được đã dùng để chế tạo nam châm kết dính
trên thiết bị ép viên tự động SFJ-100kN và ép trong từ trường 20 kOe. Tích
năng lượng từ của các nam châm kết dính đạt 10 MGOe. Bước đầu đã thu
nhận được tác động của từ trường tạo thiên hướng từ cho nam châm kết dính.
Luận án được thực hiện tại Phòng thí nghiệm Trọng điểm về Vật liệu và Linh
kiện Điện tử và Phòng Công nghệ và Ứng dụng vật liệu, Viện Khoa học vật liệu,
Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, trong khuôn khổ thực hiện đề tài
NCCB “Những vấn đề cơ bản của công nghệ phun băng nguội nhanh trong từ
trường - Công nghệ mới chế tạo băng từ cứng chứa đất hiếm cấu trúc nano tinh thể
chất lượng cao”, mã số 103.02-2010.05 do Quỹ Nafosted tài trợ.
/
6

CHƢƠNG 1:
TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU TỪ CỨNG NANOCOMPOSITE NỀN Nd-Fe-B
Trong tự nhiên, từ tính là một trong những đặc tính vật lý lý thú mà con người
luôn quan tâm. Từ hàng nghìn năm trước đây, người ta đã biết đến những đặc tính
kỳ lạ của đá nam châm, một loại vật liệu tự nhiên có từ tính mạnh. Nó được coi là
vật liệu đầu tiên tạo ra một từ trường ổn định. Người Ai Cập xa xưa sử dụng đá nam
châm tự nhiên trong các thủ thuật chữa bệnh, như chữa các chứng đau, sưng, chống
viêm Nam châm còn được sử dụng trong các dụng cụ mang tính khoa học như
chế tạo ra la bàn, dụng cụ định hướng trường lưỡng cực Trái Đất Ngày nay, các
ứng dụng của vật liệu từ cứng thật phong phú, đa dạng và đóng một vai trò đặc biệt
quan trọng trong cuộc sống của chúng ta.
Một trong những ứng dụng quan trọng nhất của vật liệu từ là nam châm vĩnh
cửu, một không gian có hình khối xác định của vật liệu từ cứng. Các nam châm
vĩnh cửu được sử dụng rộng rãi trong các động cơ, máy phát, các thiết bị âm thanh,
trong công việc điều khiển chùm tia, trong việc chụp ảnh cộng hưởng từ, trong máy
in và các hệ dẫn động (thí dụ như bộ định vị đầu đọc trong các ổ cứng). Các môi
trường ghi từ sử dụng để lưu trữ thông tin, cả dạng băng và đĩa, đều dựa trên vật

liệu từ cứng.
Điều kiện cần và đủ để có được một nam châm vĩnh cửu chất lượng cao là: i)
các đặc tính từ nội tại tốt của vật liệu sử dụng; ii) công nghệ chế tạo nam châm thích
hợp để tối ưu hóa tính chất của vật liệu. Sự ảnh hưởng lẫn nhau được tối ưu hóa
giữa các đặc tính từ nội tại và vi cấu trúc sẽ tạo ra sản phẩm nam châm có phẩm
chất từ tính tốt nhất có thể.
Do cấu trúc điện tử thích hợp tạo ra độ từ hóa bão hòa M
s
cao, một số nguyên
tố đất hiếm nhẹ được lựa chọn, nó đóng vai trò quan trọng trong việc chế tạo nam
châm vĩnh cửu chất lượng cao. Với hàm lượng đất hiếm khác nhau ta có thể chế tạo
3 loại nam châm, hình 1.1: a) Nam châm giàu đất hiếm tạo một lớp mỏng thuận từ
biệt lập các hạt làm cho lực kháng từ cao, thí dụ điển hình cho loại này (loại I) là
Nd
2+
Fe
14
B; b) Nam châm chứa nguyên tố đất hiếm thành phần pha đúng hợp thức,
/
7

thí dụ R
2
T
14
B (R - Rare earth), và có vi cấu trúc bao gồm các hạt đơn tinh thể kích
thước nanomét (loại II). Phẩm chất từ tính của loại nam châm này được hỗ trợ bởi
i
H
c

cao của từng hạt đơn tinh thể kích thước đơn đômen và M
r
cao do tương tác trao
đổi giữa các hạt có kích thước nanomét; và c) Nam châm nano tổ hợp được tạo
thành bởi hai pha từ khác nhau, pha từ cứng và pha từ mềm, tận dụng đồng bộ
trường kháng từ cao của pha từ cứng và từ độ bão hòa rất cao của pha từ mềm bằng
một tương tác trao đổi thích hợp nếu vi cấu trúc được tối ưu hóa (loại III).

Hình 1.1: Các mẫu nam châm đất hiếm có vi cấu trúc lý tưởng. a) (loại I): Nam
châm có lớp mỏng thuận từ giữa các hạt từ cứng; b) (loại II): Nam châm đơn pha
tương tác trao đổi; c) (loại III): Nam châm nano tổ hợp hai pha cứng/mềm (các
vùng trắng là các hạt từ cứng; các vùng sẫm là cáchạt từ mềm)[15].
Nam châm loại III thu hút được nhiều chú ý trong hơn hai thập kỷ qua do dự
đoán nó có khả năng đạt giá trị tích năng lượng từ (BH)
max
cao và giá thành thấp bởi
tỉ phần pha từ cứng chứa đất hiếm tương đối thấp. Tuy vậy, cho đến nay trên thị
trường nam châm vĩnh cửu vẫn chưa có mặt một sản phẩm tốt nào của loại nam
châm này.
Trong phần này, luận án trình bày tổng quan về vật liệu từ cứng có vi cấu trúc
nano bao gồm: 1) Những vấn đề từ học cơ bản của vật liệu nano nền Nd-Fe-B; 2)
Cơ sở lý thuyết và 3) Những kết quả nghiên cứu thực nghiệm.
1.1. Những vấn đề từ học cơ bản của vật liệu nano Nd-Fe-B
1.1.1. Sự tạo thành pha từ cứng Nd
2
Fe
14
B
Một số tác giả đã nghiên cứu tinh thể của pha Nd
2

Fe
14
B [32, 47, 48] cho thấy
ô cơ sở của Nd
2
Fe
14
B (hình 1.2) có cấu trúc mạng tinh thể tứ giác, chứa 4 đơn vị
/
8

công thức (68 nguyên tử), mỗi ô cơ sở bao gồm cấu trúc lặp lại 6 lớp. Trên hình 1.2,
ta thấy tất cả các nguyên tử Nd và B cùng với 4 nguyên tử Fe ở trong mặt z = 0 và z
= 1/2. Giữa những mặt này hình thành mạng lưới 3 nguyên tử Fe nén chặt. Ô cơ sở
có hằng số mạng c = 1,220 nm và a = 0,878nm, tạo ra dị hướng tinh thể đơn trục
cao, nó tương quan mạnh với dị hướng từ tinh thể.




Hình 1.2: Cấu trúc tinh thể pha
Nd
2
Fe
14
B [47]
Hình 1.3: Giản đồ pha của hệ Nd-Fe-B
tại mặt cắt với Nd:B = 2:1 [37]
Các nam châm trên cơ sở Nd-Fe-B thường có thành phần đa pha, bao gồm pha
phi từ và pha từ mềm cùng với pha từ cứng Nd

2
Fe
14
B. Giản đồ pha 3 nguyên Nd-
Fe-B dự báo ở trạng thái cân bằng có 3 pha: Pha từ cứng Nd
2
Fe
14
B (), pha giàu
Boron Nd
1+ 
Fe
4
B
4
() và pha giàu Nd dễ nóng chảy. Một vài pha khác nữa như α-
Fe hay Nd
2
O
3
cũng có thể hình thành do sự lệch hợp thức và khả năng bị oxy hóa
cao của Nd. Theo các tác giả trong [105], giá trị của  ở pha Nd
1+ 
Fe
4
B
4
() là 0,11.
Mặt cắt thẳng đứng với Nd:B = 2:1 trên hình 1.3 cho thấy sự hình thành pha sắt từ
xảy ra từ điểm chuyển pha với phản ứng bao tinh ở 1453 K: L + -Fe  , pha 

này có thành phần hợp thức là Nd
2
Fe
14
B.
1.1.2. Đặc tính từ của Nd
2
Fe
14
B
Trật tự từ tự nhiên của các vật liệu sắt từ có được là do tương tác trao đổi giữa
các mômen từ nguyên tử, ở trên nhiệt độ Curie vật liệu không còn trật tự từ. Trạng
/