Khảo sát cấu trúc và tính chất từ của hợp kim từ cứng vô định hình nd fe al co

Khoá luận tốt nghiệp

Trần Văn Hào

Mở đầu
1. Lý do chọn đề tài
Khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển mạnh mẽ, đây là xu hướng chung
của các quốc gia. ở nước ta, trong chương trình phát triển kinh tế thì vấn đề phát
triển các ngành kỹ thuật và phát triển vật liệu là then chốt. Do đó, trong đào tạo
Đại học thì kiến thức cơ bản về vật liệu và các phương pháp chế tạo, nghiên cứu
đã trở thành yêu cầu quan trọng đối với các sinh viên nói chung và sinh viên
nghiên cứu vật lý nói riêng.
Chúng ta đã biết vật liệu từ đã được tìm thấy từ lâu, trước công nguyên và
cũng đã được con người ứng dụng làm kim la bàn để xác định phương hướng.
Cho đến nay, con người đã chế tạo được rất nhiều loại vật liệu từ và ứng dụng
chúng rộng rãi trong thực tế, từ các thiết bị không thể thiếu trong cuộc sống
hàng ngày như máy biến thế, động cơ điện, máy phát điện... cho đến các thiết bị
điện tử hiện đại như máy tính, máy ghi âm, ghi hình... Tuy vậy, các vật liệu từ
mới vẫn không ngừng được tìm kiếm để đáp ứng yêu cầu của cuộc sống hiện
đại.
Trong việc chế tạo vật liệu từ, phương pháp nguội nhanh là một trong
những phương pháp được sử dụng rộng rãi và chiếm ưu thế bởi công nghệ đơn
giản, dễ dàng thay đổi thành phần hợp kim, thuận tiện cho việc nghiên cứu và
tìm kiếm các hệ hợp kim từ mới. Bằng phương pháp nguội nhanh có thể chế tạo
được cả vật liệu từ cứng (có lực kháng từ lớn) và vật liệu từ mềm (có lực kháng
từ nhỏ). Điển hình của vật liệu từ mềm được chế tạo bằng phương pháp nguội
nhanh là vật liệu từ Finemet Fe-Cu-Nd-Si-B, của từ cứng là vật liệu
Nanocomposite Nd-Fe-B. Tính chất từ của vật liệu được chế tạo bằng phương
pháp nguội nhanh thường bị ảnh hưởng rất nhiều bởi tốc độ làm nguội. Các vật
liệu nguội nhanh thường gồm tổ hợp các pha. Cấu trúc và pha từ, tức là bằng
cách thay đổi điều kiện công nghệ mà tính chất của vật liệu có thể bị thay đổi

mặc dù hợp phần không thay đổi. Như vậy, ta có thể thấy phương pháp nguội
1


Khoá luận tốt nghiệp

Trần Văn Hào

nhanh có ưu thế hơn so với các phương pháp khác trong việc chế tạo ra những
vật liệu mới với hợp phần và tính chất từ đa dạng.
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. Vật liệu từ
cứng dạng tinh thể được ứng dụng phổ biến là Nd2Fe14B được chế tạo bằng
phương pháp thiêu kết.
Gần đây các hợp kim nguội nhanh nền Nd-Fe-Al được quan tâm nghiên
cứu như một loại vật liệu từ cứng mới. Vì nó có thể cho tính từ cứng khá lớn
(~3,5 kOe) với cấu trúc vô định hình hoàn toàn. Khả năng tạo pha từ cứng ở
trạng thái vô định hình (VĐH) cho phép tạo ra dược những hợp kim có hợp phần
và cấu trúc đa dạng ở kích thước nanômét.
Các nghiên cứu tiếp theo với hệ kim nền Nd-Fe-Al được chế tạo bằng
phương pháp nguội nhanh cho thấy tuỳ theo tốc độ làm nguội nhanh và tỷ phần
pha khác nhau các mẫu hợp kim này có thể thể hiện cả tính từ mềm ở nhiệt độ
phòng. Đặc biệt bằng cách pha thêm vào hợp kim các nguyên tố Co và B với
nồng độ thích hợp và kết hợp với việc lựa chọn tốc độ làm nguội hợp kim phù
hợp với mỗi thành phần kháng từ, từ độ bão hoà và nhiệt độ Curie có thể đồng
thời được tăng lên rất nhiều. Tuy nhiên việc nghiên cứu ảnh hưởng của Co lên
cấu trúc và tính chất của hợp kim nền Nd-Fe-Al mới chỉ là bước đầu và vẫn còn
nhiều vấn đề cần được nghiên cứu. Chính vì vậy, hệ hợp kim Nd-Co-Fe-Al được
chọn làm đối tượng nghiên cứu cho luận văn này.
2. Mục đích nghiên cứu

Nghiên cứu ảnh hưởng của tỉ phần Co/Nd lên cấu trúc và tính chất từ của
hợp kim Nd45-xCo15+xFe30Al10 (x = 0 và 10).
Nâng cao hiểu biết, hiểu sâu sắc hơn các vấn đề vật liệu học, một trong
những vấn đề của vật lý hiện đại có nhiều ứng dụng trong kỹ thuật.
Tập đọc nghiên cứu vấn đề tổng quát hoá tài liệu kể cả tài liệu nước
ngoài. Đồng thời đây cũng là đợt tập dượt nghiên cứu khoa học.
2


Khoá luận tốt nghiệp

Trần Văn Hào

3. Nhiệm vụ nghiên cứu
Để đạt được mục đích nghiên cứu đề ra cần thực hiện những nhiệm vụ
sau:
+ Tìm hiểu tổng quan về vật liệu VĐH nền Nd-Fe-Al
+ Tiến hành làm thực nghiệm: Chế tạo hợp kim nền Nd-Co-Fe-Al bằng
phương pháp nguội nhanh.
+ Đo đạc kết quả thu được, từ đó rút ra nhận xét, kết luận.
4. Đối tượng nghiên cứu
Hợp kim từ cứng VĐH Nd-Co-Fe-Al.

5. Phạm vi nghiên cứu
Cấu trúc, tính chất từ của các hợp kim Nd-Co-Fe-Al được chế tạo bằng
phương pháp nguội nhanh.
6. ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
ý nghĩa khoa học của luận văn là góp phần tìm kiếm các vật liệu từ mới,
công nghệ chế tạo và cơ chế tạo nên tính từ cứng của vật liệu từ có cấu trúc vô
định hình và nanô tinh thể.

Nội dung của luận văn: Gồm 3 chương
Chương 1: Tổng quan
Tìm hiểu tổng quan về hợp kim nguội nhanh nền Nd-Al-Fe.
Chương 2: Thực nghiệm
Thực nghiệm chế tạo, khảo sát cấu trúc và tính chất từ của các mẫu hợp
kim Nd-Co-Fe-Al.
Chương 3: Các kết quả nghiên cứu và thảo luận.

3


Khoá luận tốt nghiệp

Trần Văn Hào

Trình bày kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của hợp phần và tốc độ làm
nguội lên cấu trúc và tính chất từ của các hợp kim:
1. Nd45 Co15 Fe30 Al10
2. Nd35 Co25 Fe30 Al10
Chương 1

Tổng quan về hệ hợp kim từ cứng nền Nd-Fe-Al

1.1. Hệ hợp kim từ cứng VĐH Nd-Fe-Al
Hợp kim từ VĐH được các nhà khoa học phát hiện vào khoảng giữa
những năm sáu mươi của thế kỷ XX. Tuy vậy, các hợp kim từ VĐH khi đó đều
mang tính từ mềm với lực kháng từ Hc nhỏ. Vì vậy mà các nghiên cứu sau đó
cũng chủ yếu nhằm mục đích tìm hiểu cơ chế tạo nên tính từ mềm của hợp kim
VĐH và đông thời nâng cao tính từ mềm của các hợp kim VĐH này. Tuy nhiên,

một điều đặc biệt đã xảy ra, vào năm 1996, nhóm nghiên cứu do A. Inoue
(người Nhật Bản) đứng đầu công bố rằng họ đã phát hiện ra tính từ cứng tương
đối tốt ở nhiệt độ phòng trên các mẫu hợp kim VĐH khối (chế tạo bằng phương
pháp đúc) ba thành phần Nd-Fe-Al [7] và hợp phần Nd60Fe30Al10 cho các thông
số từ cứng tốt nhất với lực kháng từ Hc ~ 3,5 kOe, cảm ứng từ dư Br ~ 1,2 kG và
tích năng lượng cực đại (BH)max  2,5 MGOe ở nhiệt độ phòng. Mặt khác hợp
kim này có tốc độ làm nguội tới hạn Rc (Rc là tốc độ làm nguội tối thiểu để hợp
kim từ trạng thái lỏng trở thành trạng thái rắn có cấu trúc VĐH ) khá nhỏ (cỡ
100 K/s), nên có thể tạo được mẫu VĐH khối với chiều dày mẫu lên tới 12 mm
[8]. Nhóm tác giả này cũng phát hiện tính từ cứng tương đối tốt trên hệ hợp kim
Nd-Fe-Al khi thay Nd bằng Pr. Tuy nhiên, hợp kim Pr-Fe-Al có từ độ bão hoà
Ms và khả năng tạo trạng thái VĐH thấp hơn so với hệ hợp kim Nd-Fe-Al nên
nó ít được nghiên cứu. Mặt khác, kết quả còn cho thấy, tính từ cứng tốt nhất của
Nd60Fe30Al10 gắn liền với trạng thái VĐH khối. Với các mẫu băng có tốc độ làm
4


Khoá luận tốt nghiệp

Trần Văn Hào

nguội rất lớn (R >> Rc) hoặc các mẫu khối bị kết tinh thì tính từ cứng giảm
mạnh hoặc mất hẳn. Tiếp theo nghiên cứu của A. Inoue, nhóm J. Ding [9, 10]
cũng tiến hành nghiên cứu trên hệ hợp kim Nd-Fe-Al và thu được một số kết
quả giống như kết quả của nhóm A. Inoue nhưng nhóm này không tạo được các
mẫu khối VĐH có độ dày lớn như của A. Inoue và họ còn phát hiện ra rằng tính
từ cứng của hợp kim VĐH vẫn tốt ngay cả khi mẫu bị kết tinh một phần nhỏ. Hệ
hợp kim VĐH nền

Nd-Fe-Al còn được tiếp tục nghiên cứu bởi các nhóm

[1-5, 11-17]. Kết quả cho thấy, giữa cấu trúc và tính chất từ của hợp kim có liên
hệ với nhau khá chặt chẽ. Phần lớn các tác giả đều cho rằng tính từ cứng của hệ
hợp kim này được gắn liền với cấu trúc VĐH đám trong hợp kim. Sau đây tôi sẽ
trình bày những tổng quan về các tính chất của hệ hợp kim VĐH nền Nd-Fe-Al
và đặc biệt là về hợp kim với hợp phần Nd60Fe30Al10.

1.1.1. Khả năng tạo trạng thái VĐH của hệ hợp kim Nd-Fe-Al

Hình 1.1. Giản đồ pha ba nguyên của

Hình 1.2. Giản đồ sự phụ thuộc độ dày

hợp kim Nd-Fe-Al [8]. Trên hình:

mẫu khối vào nồng độ Fe [8]. Trên

glassy - VĐH, crystaline – tinh thể

hình: amorphous - VĐH, crystalinetinh thể
5


Khoá luận tốt nghiệp

Trần Văn Hào

Khả năng tạo trạng thái VĐH (Glass Forming Ability - GFA) là sự thể
hiện mức độ tạo trạng thái VĐH của hợp kim. Nó phụ thuộc vào bản chất
nguyên tử, vào lực liên kết giữa các nguyên tử và thành phần hoá học của hợp

kim. Đại lượng đặc trưng cho GFA là tốc độ làm nguội tới han Rc. Hệ hợp kim
Nd-Fe-Al có khả năng tạo các mẫu VĐH ở dạng băng (nhờ phương pháp phun
băng) hoặc ở dạng khối (nhờ phương pháp đúc hút). Hệ hợp kim này có khả
năng tao trạng thái VĐH trong khoảng thành phần rất lớn. Với các mẫu hợp kim
chế tạo bằng phương pháp phun băng là từ 0 đến 90 at% Fe, 0 đến 93 at% Al và
10 đến 90 at% Nd (hình 1.1). Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, việc hòa tan Al vào
hệ hợp kim hai thành phần Nd-Fe đã làm tăng mạnh mẽ GFA của hợp kim và có
thể tạo được mẫu khối dày hơn 1 mm với khoảng thành phần từ 10 đến 50 at%
Fe và từ 10 đến 30 at% Al. Theo kết quả nghiên cứu của nhóm A. Inoue thì với
nồng độ 10 at% Al, hợp kim Nd-Fe-Al có khả năng tạo được trạng thái VĐH và
có tích năng lượng cực đại (BH)max lớn nhất [8]. Từ hình 1.2 ta thấy, độ dày của
mẫu lớn nhất có thể chế tạo được bằng phương pháp đúc tiêm trên hệ hợp kim
Nd90-xFexAl10 (khi x thay đổi) là khoảng 7 mm với x = 20. Khi nồng độ at%Fe
càng tăng thì độ dày mẫu khối VĐH càng giảm.

Hình 1.3. Phổ DSC của các mẫu Nd90-xFexAl10 (x = 10, 20, 30, 40, 50) với độ
dày 1 mm (a) và mẫu Nd60Fe30Al10 với các độ dày khác nhau D = 1, 2 và 3 mm
(b) [8]. Trên hình: Temperature - nhiệt độ, exothermic - nhiệt lượng toả
6


Khoá luận tốt nghiệp

Trần Văn Hào

Để xác định rõ về GFA, các mẫu đã được kiểm tra bằng phép phân tích
nhiệt dung quét (Differential Scanning Calorimetter - DSC). Hình 1.3 là phổ
DSC của các mẫu Nd90-xFexAl10 (x = 10, 20, 30, 40 và 50) với độ dày mẫu là 1
mm (a) và mẫu Nd60Fe30Al10 với các độ dày mẫu khác nhau D = 1, 2 và 3 mm
(b). Ta thấy, tất cả các mẫu của hệ đều chỉ có một đỉnh toả nhiệt do sự kết tinh

và không có phản ứng thu nhiệt đáng kể nào do sự chuyển pha thuỷ tinh cũng
như không có vùng chất lỏng quá nguội trước khi kết tinh. Điều này là rất khác
biệt vì theo những nghiên cứu trước đó, tất cả các hợp kim VĐH có GFA lớn
đều xuất hiện sự chuyển pha thuỷ tinh riêng biệt và một vùng chất lỏng quá
nguội trước khi kết tinh.

1.1.2. Cấu trúc của hệ hợp kim Nd-Fe-Al

Hình 1.4. Phổ XRD của các mẫu hợp kim Nd70Fe20Al10 [26].

Hình 1.4 là phổ nhiễu xạ tia X cho những mẫu khối Nd70Fe20Al10 với độ
dày từ 3 đến 7 mm [9]. Phổ nhiễu xạ của các mẫu này cho thấy mẫu là VĐH
hoàn toàn. Chỉ một đỉnh nhiễu xạ rộng ở góc 2 ~ 320.

7


Khoá luận tốt nghiệp

Trần Văn Hào

Giản đồ nhiễu xạ cho các mẫu băng có thành phần Nd60Fe30Al10 với các
tốc độ làm nguội khác nhau cũng được chỉ ra như trong hình 1.5. Với mẫu băng
5 m/s (tốc độ làm nguội nhỏ) thì xuất hiện một số đỉnh tinh thể tương ứng với
pha tinh thể Nd [9]. Tuy nhiên mẫu này lại thể hiện tính từ cứng giống với mẫu
VĐH cùng loại trong [26] và khác với các mẫu băng VĐH hoàn toàn với tính từ
mềm. Chứng tỏ tính từ cứng liên quan chặt chẽ với vi cấu trúc. Theo Inoue tính
từ cứng của hệ hợp kim khối VĐH này có thể quy cho sự tồn tại của các đám
VĐH giàu Fe và các đám VĐH giàu Nd.

Hình 1.5. Giản đồ nhiễu xạ tia X cho mẫu băng Nd60Fe30Al10 với các tốc độ quay
khác nhau [9].

Để thấy rõ được các kiểu liên kết cặp nguyên tử trong các đám có trật tự
gần, hàm phân bố xuyên tâm (RDF) đã được xây dựng cho hệ mẫu khối và
băng Nd-Fe-Al như trong hình 1.6.

8


Khoá luận tốt nghiệp

Trần Văn Hào

Hình 1.6. Hàm phân bố xuyên tâm cho mẫu dạng khối 3 mm và băng 25 μm
của hệ Nd-Fe-Al [9].
Theo như hình vẽ 1.6 mẫu băng có đường phân bố mở rộng và thấp hơn,
trong khi đó mẫu khối chỉ ra là có cường độ cao hơn ở những khoảng cách
nguyên tử giới hạn tương ứng giữa cặp nguyên tử Nd-Nd, Nd-Fe. Theo sự phân
tích này của nhóm Inoue, trong khi mẫu băng có cấu trúc hoàn toàn VĐH vắng
mặt sự phát triển các đám của cặp nguyên tử, cấu trúc VĐH của mẫu khối lại
bao gồm các đám của các cặp nguyên tử Nd-Nd, Nd-Fe.
Như vậy, tuy số lượng nghiên cứu cấu trúc chưa nhiều nhưng các công
trình đều thống nhất nhận định rằng, các mẫu Nd-Fe-Al VĐH khi mới làm nguội
đều không có mặt cấu trúc VĐH đồng nhất mà tồn tại các đám nguyên tử có trật
tự gần.

1.1.3 Các tính chất từ của hệ hợp kim Nd-Fe-Al và hợp kim với hợp phần
Nd60Fe30Al10
Theo các nghiên cứu đã công bố thì hệ hợp kim Nd-Fe-Al có các thông số

từ cứng ở trạng thái VĐH ở nhiệt độ phòng lớn hơn nhiều so với các thông số từ
cứng của các hợp kim VĐH khác. Với hợp kim Nd-Fe-Al thì hợp phần

có ảnh

hưởng rất nhiều đến các tính chất của nó. Hình 1.7 chỉ ra rằng, cảm ứng từ dư
Br, lực kháng từ Hc, tích năng lượng cực đại (BH)max và từ độ tại từ trường 1432
kA/m phụ thuộc rất rõ vào nồng độ at%Fe của mẫu hợp kim khối với hợp phần
9


Khoá luận tốt nghiệp

Trần Văn Hào

Nd90-xFexAl10 (với độ dày mẫu là 1
mm). Từ hình vẽ ta thấy, với nồng
độ 30 at%Fe, hợp kim cho các thông
số từ cứng tối ưu nhất. Chính vì vậy,
những nghiên cứu về sau trên hệ
hợp kim Nd-Fe-Al, người ta thường
chọn hợp phần Nd60Fe30Al10 làm đối
tượng xuất phát. Tính từ cứng của
hợp kim không chỉ phụ thuộc vào
hợp phần mà còn phụ thuộc rất
nhiều vào tốc độ làm nguội hợp kim.
Theo các kết quả đã công bố thì tính
từ cứng của hợp kim chỉ xuất hiện ở
các hợp kim dạng khối và dạng băng
với tốc độ làm nguội nhỏ còn các

hợp kim được chế tạo với tốc độ làm
nguội lớn hoặc bị kết tinh đều thể
hiện tính từ mềm ở nhiệt độ phòng.
Theo những kết quả nghiên cứu của
nhóm tác giả [2, 3] thì tính từ cứng
tốt nhất mà hợp kim này đạt được
khi tốc độ làm nguội hợp kim nằm
trong khoảng giữa tốc độ làm nguội
mẫu khối có chiều dày 1 mm và mẫu
băng với tốc độ trống quay là 5 m/s
(hình 1.8a). Mặt khác, nhiệt độ
Curie TC cũng phụ thuộc vào tốc độ

Hình 1.7. Các đại lượng Br, iHc, (BH)max,
J1432 phụ thuộc vào nồng độ Fe của hợp kim
khối Nd90-xFexAl10 có độ dày 1 mm [8]. Trên
hình: remanence – cảm ứng từ dư, coercive
force – lực kháng từ, maximum energy
product – tích năng lượng cực đại,
magnetization – từ độ, Fe content (at%) –

nồng độ Fe (% nguyên tử)

làm nguội, giá trị của TC giảm khi
tăng tốc độ làm nguội (hình 1.8b). Sự giảm của từ độ bão hoà Ms, nhiệt độ Curie
10


Khoá luận tốt nghiệp

Trần Văn Hào

TC và lực kháng từ Hc khi tăng tốc độ làm nguội của hợp kim Nd60Fe30Al10 được
giải thích trên mô hình dị hướng ngẫu nhiên. Theo mô hình này thì trong trạng
thái VĐH, sự cạnh tranh giữa năng lượng tương tác trao đổi và năng lượng dị
hướng ngẫu nhiên sẽ quyết định giá trị của lực kháng từ. Khi tốc độ làm nguội
chậm thì năng lượng dị hướng ngẫu nhiên là nhỏ, do vậy, giá trị của lực kháng
từ cũng nhỏ. Mặt khác, lúc này các nguyên tử sắp xếp cũng trật tự hơn trong hợp
kim do đó nhiệt độ Curie cũng lớn hơn. Còn đối với tốc độ làm nguội quá nhanh
thì năng lượng dị hướng ngẫu nhiên rất lớn hơn năng lượng tương tác trao đổi
làm cho trạng thái sắt từ bị phá vỡ và làm giảm mạnh cả lực kháng từ và từ độ
bão hoà. Và như vậy, lực kháng từ chỉ đạt giá trị lớn nhất khi có sự phù hợp giữa
năng lượng dị hướng ngẫu nhiên và năng lượng tương tác trao đổi. Nhiều kết
quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng đó là khi hợp kim ở trạng thái VĐH hồi phục hoặc
VĐH đám.

11


Khoá luận tốt nghiệp

Trần Văn Hào

Từ hình 1.8 ta cũng thấy, khi bị kết tinh nhiều, hợp kim Nd60Fe30Al10 còn
thể hiện tính đa pha từ (với mẫu khối có chiều dày 2 mm), dấu hiệu là xuất hiện
các thắt eo trên đường cong từ trễ. Tính đa pha từ này không xuất hiện ở các
mẫu có tốc độ làm nguội lớn hơn. Các kết quả nghiên cứu của nhóm tác giả [2,
3] đã chỉ ra rằng ở các mẫu VĐH hoàn toàn với các tốc độ làm nguội khác nhau
đều xuất hiện từ hai đến ba pha từ. Trong đó có một pha từ mềm xuất hiện ngay
dưới vùng nhiệt độ phòng, có nhiệt độ Curie trong khoảng từ 180 K đến 280 K

và một pha từ nữa có TC trong khoảng từ 50 K đến 100 K. Sự tồn tại của các pha
từ này đã cho thấy cấu trúc và trật tự từ của hợp kim là rất phức tạp nhưng đồng
thời cũng khẳng định rằng pha từ cứng có nhiệt độ Curie TC ở trên nhiệt độ
phòng là pha từ chính của hợp kim. Ngoài ra, các hợp kim bị kết tinh một phần
đều thể hiện tính đa pha từ ở nhiệt độ phòng nên có thể nói rằng pha từ cứng này
được gắn liền với trạng thái VĐH.
8

Tõ ®é (emu/g)

10

6

0

4

2

-10
-20
-8

30m/s
15m/s
5m/s
D=1mm
D=3mm

Nd60Fe30Al 10, H = 50 Oe

Nd60Fe30Al 10
Tõ ®é (emu/g)

Ch- a ®óc
D=2mm
D=1mm
5m/s
30m/s

20

-6

-4

-2
0
2
Tõ tr- êng (kOe)

4

6

0

8

a)

200

250

300

350
400
NhiÖt ®é (K)

450

500

b)

Hình 1.8. ảnh hưởng của tốc độ làm nguội lên tính chất từ của hợp kim
Nd60Fe30Al10 [3]: a) Các đường từ trễ, b) Các đường từ nhiệt.
1.2. ảnh hưởng của việc thêm các nguyên tố Co và B lên tính chất của hợp
kim Nd-Fe-Al
1.2.1. ảnh hưởng của việc thêm Co
Trong bảng hệ thống tuần hoàn thì Co là một nguyên tố thuộc nhóm kim
12


Khoá luận tốt nghiệp

Trần Văn Hào

loại chuyển tiếp, nó có tính sắt từ và có nhiệt độ chuyển pha TC rất cao. Việc
thay thế Co cho các nguyên tố kim loại có từ tính như Nd và Fe trong hệ hợp
kim Nd-Fe-Al đã được nhiều tác giả nghiên cứu và kết quả cho thấy tính chất từ
cũng như khả năng tạo trạng thái VĐH của hệ hợp kim khi đó được nâng cao
đáng kể. Trước tiên ta xét quá trình Co thay thế cho Fe.
Hình 1.9 biểu diễn các đường từ trễ và các đường từ nhiệt của hợp kim
khối với hợp phần Nd60Fe30-xCoxAl10 (với x = 0, 5, 10, 15 và 20). Từ hình vẽ ta
thấy, ảnh hưởng của Co lên tính chất từ của hệ hợp kim khi Co thay thế cho Fe
là khá rõ. Cụ thể là, từ độ của các hợp kim này giảm khi tăng nồng độ Co trong
khi nhiệt độ Curie gần như không thay đổi. Cũng từ hình vẽ ta thấy, mẫu có hợp
phần Nd60Fe20Co10Al10 (x = 10) cho các thông số từ cứng tốt nhất và cũng chính
mẫu này cho khả năng tạo VĐH lớn nhất.

x=0
x=5
x = 10
x = 15
x = 20

Tõ ®é(emu/g)

10

4

Tõ ®é (®.v.t.y)

20

0

x=0
x=5
x =10

3

2

x = 15
x = 20

-10

1

Nd60Fe30-xAl 10Cox
D = 3 mm

-20
-8

Nd60Fe30-xCoxAl 10
H = 100 Oe

-6

-4

-2
0
2
4
Tõ tr- êng (kOe)

6

0
350

8

400

450
500
NhiÖt ®é (K)

550

b)

a)

Hình 1.9. ảnh hưởng của sự thay thế Co cho Fe lên tính chất từ trong hệ hợp
kim khối Nd60Fe30-xCoxAl10: a) các đường từ trễ, b) các đường từ nhiệt [3]
Sau đây ta xét quá trình Co thay thế cho Nd. Sự thay thế của Co cho Nd
cũng làm tăng khả năng tạo VĐH cho hợp kim nhưng lại làm giảm mạnh tích
năng lượng cực đại (BH)max của hợp kim (hình 1.10a). Tuy nhiên, từ hình 1.10b

ta thấy, với nồng độ Co thay thế tương đối lớn (hơn 10 at%) thì nhiệt độ Curie
13


Khoá luận tốt nghiệp

Trần Văn Hào

của các mẫu lại tăng lên rất nhiều và các mẫu này còn thể hiện tính đa pha từ
khá rõ (các mẫu với x = 10, 15). Mặc dù pha từ mềm làm các đường từ trễ bị
thắt lại nhưng ta cũng có thể thấy rằng pha từ cứng có khả năng cho lực kháng
từ Hc tương đối lớn. Như vậy, sự thay thế của Co cho Nd đã làm giảm năng
lượng dị hướng ngẫu nhiên và tăng năng lượng tương tác trao đổi dẫn đến làm
giảm lực kháng từ Hc và tăng nhiệt độ Curie TC. Theo như dự đoán của nhóm tác
giả trong nghiên cứu này thì ta có thể thu được lực kháng từ lớn nếu nâng tốc độ
làm nguội của hợp kim tới khi các nguyên tử đạt được độ bất trật tự một cách
hợp lý. Điều này cũng đã được khẳng định trong các nghiên cứu sau đó.
30

10
0
-10

Nd60-xCoxFe30Al 10

-20

x=0
x=5
x=10

x=15

3

H=100 Oe

2
1

D = 4mm

-30
-15

Nd60-xCoxFe30Al 10

4
Tõ ®é (emu/g)

20
Tõ ®é (emu/g)

5

x=0
x=5
x = 10
x = 15

-10

-5
0
5
Tõ tr- êng (kOe)

10

15

a)

0
350

400

450
500
NhiÖt ®é (K)

550

600

b)

Hình 1.10. ảnh hưởng của sự thay thế Co cho Nd lên tính chất từ trong hệ
hợp kim khối Nd60-xCoxFe30Al10: a) Các đường từ trễ, b) Các đường từ nhiệt
[4]

1.2.2. ảnh hưởng của việc thêm B
Nhóm tác giả [3, 4] đã nghiên cứu ảnh hưởng của B lên cấu trúc và tính
chất từ của hợp kim Nd-Fe-Al trên hợp phần Nd60-xBxFe30Al10 (x = 5, 10, 15 và
20) với các mẫu khối có độ dày 1 mm và 4 mm. Các kết quả thu được cho thấy,
lượng pha tinh thể giảm đi (tăng GFA) khi tăng nồng độ B nhưng giảm không
nhiều như trong trường hợp thay thế Co. Đồng thời tính chất từ của hệ hợp kim
14


Khoá luận tốt nghiệp

Trần Văn Hào

cũng thay đổi khá nhiều theo cả hợp phần và tốc độ làm nguội. Từ hình 1.12a ta
thấy mẫu có hợp phần Nd55B5Fe30Al10 với độ dày mẫu là 1 mm có lực kháng từ
lên đến 14 kOe.
Từ các đường cong từ trễ và các đường cong từ nhiệt ta cũng dễ dàng
nhận thấy rằng các hợp kim còn thể hiện tính đa pha từ khá rõ (hình 1.12b) Cũng
từ hình vẽ này ta thấy pha từ thứ nhất có TC thấp hơn và giảm dần khi tăng nồng
độ B thay thế Nd. Trong khi khi pha từ thứ hai có TC cao hơn (khoảng 540 K) và
hầu như không phụ thuộc vào nồng độ B thay thế. Theo nhóm nghiên cứu [3] thì
tuỳ thuộc vào cấu trúc vi mô và tỷ phần giữa các pha từ mà các mẫu sẽ có bụng
của đường từ trễ phình ra hay thắt lại. Khi tỷ phần pha thứ hai tăng lên ta thấy
độ vuông đường trễ cũng lớn hơn và với cấu trúc vi mô và tỷ phần pha thích
hợp, sự liên kết giữa các pha từ tốt, hợp kim có thể sẽ biểu hiện tính đơn pha với
lực kháng từ Hc lớn hơn rất nhiều so với vật liệu từ thông thường khác được chế
tạo bằng phương pháp nguội nhanh.

20

10
0
-10
-20
-30

-30

-20

Nd60-xBxFe30Al 10, D = 1 mm
H = 100 Oe

0.8

x=5
x=10
x=20

HC (kOe)

Tõ ®é (emu/g)

1

Nd60-xBxFe30Al 10 D = 1 mm

M/M(350K)

30

16
12
8
4
0

0.6

x=0
x=5
x=10
x=15
x=20

0.4
0.2

0

-10 0
10
Tõ tr- êng (kOe)

5

0
350

10 15 20

at%B

20

30

400

450
500
NhiÖt ®é (K)

550

600

Hình 1.12. Các đường từ trễ ở nhiệt độ phòng (a) và từ nhiệt (b) của hệ hợp
kim

Nd60-xBxFe30Al10 [3]

1.2.3. ảnh hưởng của việc thêm đồng thời Co và B vào hệ hợp kim Nd-Fe-Al
Theo kết quả trên thì việc thay thế B cho Nd trên hợp phần Nd60xBxFe30Al10

đã thu được các thông số từ cứng tốt nhất khi x = 5. Do vậy mà các
15


Khoá luận tốt nghiệp

Trần Văn Hào

nghiên cứu sau đó thường chọn nồng độ của B là 5 at%. Với mục đích không
ngừng nâng cao các thông số từ cứng như: lực kháng từ Hc, từ độ dư Mr, độ
vuông đường trễ và nhiệt độ Curie Tc, mới đây, nhóm tác giả [5, 16, 17] đã
nghiên cứu cấu trúc và tính chất từ của hợp kim khối Nd-Fe-Al bằng cách thêm
vào đồng thời hai nguyên tố Co và B theo hợp phần Nd55-xCoxFe30Al10B5 với
chiều dày mẫu là 1 mm.

b)

a)

Hình 1.13. Các đường từ trễ (a) và từ nhiệt (b) của các mẫu khối Nd55xCoxFe30Al10B5

(x = 0, 5, 10, 15 và 20) dày 1 mm. Trên hình: Applied field –

từ trường ngoài, moment – từ độ, temperature – nhiệt độ [19]

Hình 1.13 biểu diễn các đường từ trễ (a) và từ nhiệt (b) của các mẫu khối
16


Khoá luận tốt nghiệp

Trần Văn Hào

Nd55-xCoxFe30Al10B5 được chế tạo bằng phương pháp đúc với chiều dày mẫu là 1
mm . Theo kết quả nghiên cứu thì khi thêm vào cả Co và B, ngoài việc làm tăng
GFA của hệ, các thông số từ cứng cũng được cải thiện đáng kể ngay cả khi mẫu

bị kết tinh một phần. Từ hình vẽ ta thấy, khi tăng nồng độ Co 0 đến 20 at%, cả
từ độ dư, từ độ bão hoà và nhiệt độ Curie của các mẫu đều tăng rất nhanh. Tích
năng lượng cực đại (BH)max lớn nhất với mẫu x = 20 còn lực kháng từ cao nhất
với mẫu x = 15 (Hc = 1202,6 kA/m ~ 15 kOe), lực kháng từ của mẫu x = 20 nhỏ
hơn một chút (Hc  1172,7 kA/m). Hơn nữa cả hai mẫu này đều thể hiện tính
đơn pha từ và các đường từ trễ của chúng tương đối vuông. Theo nhóm tác giả
này, các mẫu hợp kim có lực kháng từ cao là nhờ chúng có cấu trúc kiểu đơn
đômen bởi các đám VĐH có kích thước cỡ nannômét hoặc các hạt tinh thể có
kích thước nanô. Với hợp phần này khi tăng nồng độ Co, nhiệt độ Curie cũng
tăng và đạt giá trị khá cao. Khi x tăng từ 0 đến 20 at% Co thì TC tăng từ 450 K
đến 625 K (hình 1.13b).
Như vậy, mặc dù các nghiên cứu chưa nhiều nhưng có thể thấy Co và B
gây ảnh hưởng rất lớn lên cấu trúc và tính chất từ của hợp kim Nd-Fe-Al. Khi
thêm Co và B với nồng độ thích hợp sẽ làm tăng GFA của hệ.
1.3. ảnh hưởng của tốc độ làm nguội
Tốc độ làm nguội là yếu tố quyết định cho một hệ hợp kim có thể có được
cấu trúc VĐH, cấu trúc tinh thể hay là tổ hợp cả hai pha và nó ảnh hưởng rất
nhiều lên tính chất từ của hệ. Tốc độ làm nguội phụ thuộc vào các yếu tố ngoài
như chiều dày của mẫu, vận tốc quay, khả năng làm lạnh (lấy nhiệt từ hợp kim
nóng chảy)… Như đã trình bầy ở mục trên (1.1.2), mẫu băng với tốc độ làm
nguội lớn có tính từ mềm, trái lại với những mẫu khối có tốc độ làm nguội nhỏ
hơn lại cho tính từ cứng lớn. Hình 1.14 cho thấy ảnh hưởng của tốc độ làm
nguội lên lực kháng từ của hợp kim. Nhiệt độ Curie của hợp kim cũng bị ảnh
hưởng rất mạnh bởi tốc độ làm nguội. Với hợp phần Nd60Fe30Al10, TC có thể
thay đổi trong khoảng từ 405 K đến 465 K [3].
17


Khoá luận tốt nghiệp

Trần Văn Hào

Hình 1.14. Lực kháng từ và độ dày của băng như là một hàm của tốc độ quay
của trống trong phương pháp phun băng [9].

Dựa vào những phân tích ở trên, trong bài khoá luận này tôi nghiên cứu cấu
trúc và tính chất từ của hợp kim Nd-Fe-Al-Co với hợp phần và tốc độ làm nguội
(tốc độ quay của trống) khác nhau.
Cụ thể: + Hai hợp kim:

Nd45Fe30Al10Co15
Nd35Fe30Al10Co25

+ Tốc độ của quay trống: v = 5, 10 và 20 m/s
Chi tiết thực nghiệm nghiên cứu được trình bày ở chương 2,các kết quả và
bàn luận sẽ trình bày ở chương 3.

18


Khoỏ lun tt nghip

Trn Vn Ho
Chng 2
Thc nghim

2.1. Ch to mu
2.1.1. Ch to tin hp kim
Vt liu ban u ch to cỏc mu hp kim Nd-Fe-Al-Co l nhng kim
loi v ỏ kim sch: Nd - 99%; Fe; Al; Co - 99,99% Cỏc phi liu ban u c

cõn theo ỳng thnh phn ó nh theo nng phn trm nguyờn t, sau ú
c nu chy bng lũ h quang to ra cỏc tin hp kim. chc chn rng
cỏc hp phn khụng b bay hi nhiu trong quỏ trỡnh nu, cỏc hp kim sau khi
nu c cõn li. Kt qu cho
thy rng kim loi b bay hi

N- ớ c làm
lạ nh

nh hn 1/1000 so vi khi

Đ iện cực
Cần lật mẫu

lng hp phn trc khi nu.
Nh vy khụng phi bự vo
hp phn trc khi nu cho h

Không
khí

Ar
gas

Ti

N- ớ c làm
hp kim ny. Ton b quỏ
lạ nh

trỡnh ch to tin hp kim

Mẫu
Bơm
chân
không

Khuôn đồng

c thc hin trong khớ tr
Ar trỏnh s oxy hoỏ. Cỏc
bc ch to tin hp kim
din ra nh sau:

Van gạ t

Hỡnh 2.1. S khi ca h
nu h quang v ỳc mu

+ Lm sch ni nu, bung to mu.
+ a mu cựng viờn Ti vo bung to mu, y np bung to mu.
+ Hỳt chõn khụng cho bung to mu (nh bm s cp v bm khuch tỏn) sao
cho chõn khụng t n 10-310-5 Torr.
+ X khớ tr vo chuụng vi ln (2-3 ln) vi mc ớch ui tp khớ, to mụi
trng khớ tr tt v sch.

19


Khoá luận tốt nghiệp

Trần Văn Hào

+ Nạp khí trơ vào chuông (hơi dương hơn so với bên ngoài để tránh sự thẩm
thấu khí trở lại vào bên trong) để chuẩn bị nấu mẫu.
+ Mở hệ nước làm lạnh nồi nấu, làm lạnh điện cực.
+ Bật nguồn phát, nấu chảy viên Ti. Việc nấu viên kim loại Ti có tác dụng thu
và khử các chất khí có thể gây ra quá trình ôxy hoá. Viên Ti sau khi nấu mà
sáng, tức là môi trường nấu mẫu là tốt, đủ điều kiện để tiến hành nấu mẫu. Nếu
viên Ti bị xám thì cần dừng ngay việc nấu mẫu.
+ Nấu mẫu:
- Bật nguồn phát nấu chảy mẫu, ban đầu điều chỉnh dòng nhỏ để cho các
kim loại dễ nóng chảy như Al, Nd tan trước (việc làm này có tác dụng tránh cho
các phối liệu có khối lượng nhỏ bị ngọn lửa hồ quang thổi bay ra ngoài) rồi sau
đó tăng dòng từ từ sao cho cuối cùng tất cả các kim loại và á kim đều bị nóng
chảy hoàn toàn.
- Tắt nguồn phát, đợi mẫu nguội, dùng cần lật mẫu lật ngược mẫu lên. Đợi
vài phút cho chuông nguội bớt rồi bật nguồn phát tiếp tục nấu mẫu (chú ý không
nên nấu liên tục khi chuông quá nóng, điều này có thể làm hỏng găng cao su ở
nắp chuông).
- Mẫu được lật và nấu khoảng 5 - 6 lần (tuỳ thuộc vào khối lượng mẫu)
sao cho nó có độ đồng nhất hoàn toàn.
Các tiền hợp kim sau đó được sử dụng để tạo các mẫu nghiên cứu bằng
phương pháp nguội nhanh (phun băng, đúc hút) và nghiền cơ năng lượng cao.

2.1.2. Phương pháp nguội nhanh(phương pháp phun băng)
Phương pháp này được áp dụng nhiều nhất để chế tạo các hợp kim VĐH
nói chung, vì nó có thể đưa vào ứng dụng được. Ưu điểm của phương pháp này
là thiết bị không phức tạp, dễ điều khiển và có khả năng chế tạo một lượng lớn
hợp kim. Thực tế phần lớn các hợp kim từ VĐH đang được ứng dụng hiện nay

được chế tạo bằng phương pháp này. Những thiết bị chính của công nghệ này
được mô tả trên hình 2.2. Tiền hợp kim được đựng trong một ống thạch anh có
20


Khoá luận tốt nghiệp

Trần Văn Hào

vòi phun và được nấu chảy bằng dòng cảm ứng cao tần. Hợp kim lỏng được nén
cho chảy qua khe vòi phun lên mặt trống đồng đang quay bởi áp suất khí Ar đẩy.
Giọt hợp kim lỏng được giàn mỏng và bám trên mặt trống đồng trong một
khoảng thời gian t, trong khoảng thời gian này nhiệt độ hợp kim giảm từ nhiệt
độ nóng chảy (~ 1500 K) xuống nhiệt độ phòng, tức là T  103 K. Tốc độ
nguội v được ước tính bằng công thức:
v

T
t

Bơm
chân
không

Khí
Ar
ống thạch anh
Lò cao tần

Buồng

tạo
mẫu

Trống
đồng
Băng

Hình 2.2. Sơ đồ khối của hệ phun
băng hợp kim.
Tốc độ làm nguội của hợp kim được thay đổi bằng cách thay đổi tốc độ
quay của trống đồng. Hợp kim lỏng bị đông cứng lại khi tiếp xúc với trống
đồng, sau đó văng khỏi mặt trống đồng. Nếu tốc độ làm nguội lớn, tức là tốc độ
quay của trống đồng đủ lớn, các mẫu băng thu được sẽ có cấu trúc VĐH hoàn
toàn. Nếu tốc độ quay của trống đồng không đủ lớn thì các mẫu băng sẽ bị kết
tinh một phần.
21


Khoá luận tốt nghiệp

Trần Văn Hào

2.2. Các phép đo nghiên cứu cấu trúc và tính chất từ cho các mẫu hợp kim
Nd-Fe-Al-Co
2.2.1. Nhiễu xạ tia X
Các giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu nghiên cứu được thực hiện trên máy
nhiễu xạ tia X D-5000 của hãng SIEMENS tại Phòng phân tích cấu trúc tia X, Viện
Khoa học Vật liệu. Phép đo này cho phép kiểm tra trạng thái VĐH của các mẫu, phân
tích thành phần pha tinh thể và tính kích thước hạt. Trong phạm vi luận văn này chúng
tôi chỉ khai thác phổ nhiễu xạ tia X cho hai mục đích đầu.

2.2.2. Các phép đo từ độ
+ Phép đo từ trễ trên hệ từ trường xung:

K1
22

K2
C

dH/dt

L

0

dM/dt

Hộp
thu
thập

PC

số
liệu

V

Hình 2.3 . Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ từ trường xung.
Để đo từ độ mẫu phụ thuộc vào từ trường ngoài, các phép đo của chúng

tôi được thực hiện trên hệ từ trường xung đặt tại Phòng thí nghiệm Vật lý Vật
liệu Từ và Siêu dẫn Viện Khoa học Vật liệu. Máy phát từ trường của hệ được
thiết kế theo nguyên tắc nạp-phóng điện qua bộ tụ điện và cuộn dây như hình vẽ
2.3. Qua công tắc K1, bộ tụ điện C được nạp dần dần từ nguồn một chiều đến
một điện áp cực đại cỡ 2000 V tích một năng lượng cỡ vài chục kJ. Công tắc K2
đóng một dòng xung mạnh hình sin tắt dần với thời gian tồn tại ngắn sẽ phóng
qua cuộc dây nam châm L và tạo trong lòng ống dây một từ trường xung cao.
22


Khoá luận tốt nghiệp

Trần Văn Hào

Mẫu đo được đặt tại tâm của cuộn nam châm cùng với hệ cuộn dây cảm biến
pick-up. Tín hiệu lối ra tỷ lệ với vi phân của từ độ và vi phân của từ trường sẽ
được thu thập, xử lý hoặc lưu trữ cho các mục đích cụ thể. Từ trường trong lòng
ống dây còn có thể được sử dụng để nạp từ cho các mẫu vật liệu khi chỉ dùng
một nửa chu kỳ sin của dòng điện phóng. Toàn bộ hệ thống được điều khiển và
đo đạc bằng kỹ thuật điện tử và ghép nối với máy tính. Sơ đồ khối cho người sử
dụng được chỉ ra trên hình 2.3. Từ trường lớn nhất của hệ có thể đạt tới 100
kOe.
+ Phép đo từ nhiệt trên hệ đo từ kế mẫu rung (VSM):

23


Khoá luận tốt nghiệp

Trần Văn Hào

21

20

18

19

17

16

14

15

13

22

12

11

10

9

8

4

7

3

6

2

5

1

23

Lối vào Ni tơ lỏng

Cặp nhiệt

Hình 2.4. Sơ đồ hệ đo VSM.
1.Cuộn Hemholtz tạo từ trường
2.Buồng giữ mẫu
3.Cựcc từ
4.Cuộn pick-up
5.Đầu đo Hall
6.Cặp nhiệt
7.ống ngoài của Cryostat
8 ống trong của Cryostat
9.Lối vào bếp

10.Van hút chân không ống
Cryoststat ngoài
11.Cần gắn mẫu

12. Van hút chân không ống Cryoststat trong
13.Lối xả khí làm môi trường đo vào buồng mẫu
14.Ròng rọc xoay nâng tấm nâng cần mẫu theo trục Z
15.Tấm trượt bộ phận dịch chuyển cần mẫu theo trục X
16.Tấm trượt bộ phận dịch chuyển cần mẫu theo trục Y
17.Tấm nâng cần mẫu theo trục Z
18.Màng rung
19.Vỏ buồng rung
20.Các nam châm vĩnh cửu
21.Các cuộn dây thu tín hiệu so sánh
22.Khung đỡ buồng rung và Cryostat
23.Vô lăng điều khiển khoảng cách các cực từ

Để đo từ độ phụ thuộc vào nhiệt độ, chúng tôi sử dụng hệ đo từ kế mẫu
rung với độ nhạy là 10-4 emu đặt tại Phòng thí nghiệm Vật lý Vật liệu Từ và Siêu
dẫn Viện Khoa học Vật liệu. Khoảng từ trường của hệ đo này là từ –2T đến 2 T.
Tốc độ quét từ trường có thể thay đổi nhờ bộ phận điều khiển từ trường. Nhiệt độ
của mẫu có thể thay đổi từ nhiệt độ của Nitơ lỏng (77 K) đến khoảng 1100 K.
Quá trình ghi nhận số liệu đẫ được tự động hoá qua việc ghép nối các thiết bị đo

24


Khoá luận tốt nghiệp

Trần Văn Hào

với máy tính theo đường truyền dữ liệu IEEE-488 (GPIB). Sai số hệ đo nhỏ hơn
1%.
Các bộ phận thiết kế cơ khí chính của hệ đo được trình bày trong hình 2.4.
Nguyên lý hệ đo dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ: Mẫu đặt trong một từ
trường ngoài H sẽ có từ độ M. Do đó khi mẫu được rung bởi một màng rung
điện động sẽ tạo nên một từ thông ệ biến thiên qua cuộn dây thu (cuộn pickup). Theo định luật cảm ứng điện từ, xuất hiện một suất điện động cảm ứng
trong cuộn dây thu. Tín hiệu xoay chiều lấy từ cuộn dây được khuếch đại
bằng một lock-in nhạy pha. Việc biến tín hiệu từ độ thành tín hiệu điện xoay
chiều là ưu điển chính của thiết bị cho phép nâng cao độ nhạy và thu nhận kết
quả một cách liên tục so với một số phương pháp như từ kế mẫu giật, phương
pháp từ kế cuộn dây quay, di chuyển.
Các tín hiệu từ độ, từ trường, nhiệt độ được thu nhận và xử lý tự động
bằng việc ghép nối với máy tính.

Chương 3

Kết quả và bàn luận

3.1. Kết quả chế tạo và khảo sát cấu trúc mẫu
25