Thạc Sĩ Nghiên cứu chế tạo hợp kim từ cứng nền Nd-Fe-B cấu trúc nanomet bằng phương pháp nguội nhanh và nghi

Luận án tiến sĩ năm 2012
Đề tài: Nghiên cứu chế tạo hợp kim từ cứng nền Nd-Fe-B cấu trúc nanomet bằng phương pháp nguội nhanh và nghiền cơ năng lượng cao

Định dạng file word




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 và đồ thị
MỞ ĐẦU .
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU TỪ CỨNG .NANOCOMPOSITE Nd-Fe-B
1.1. Lịch sử phát triển của vật liệu từ cứng
1.2. Cấu trúc và tính chất từ của vật liệu từ cứng Nd2Fe14B
1.2.1. Cấu trúc tinh thể
1.2.2. Tính chất từ .
1.3. Phân loại vật liệu từ cứng Nd-Fe-B
1.3.1. Nam châm thiêu kết Nd-Fe-B
1.2.4. Nam châm kết dính Nd-Fe-B
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 .
1.4.2. Tính chất của vật liệu nanocomposite Nd-Fe-B .
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) .
1.5.2. Một số mô hình khác
1.6. Các phương pháp chế tạo vật liệu từ cứng nanocomposite Nd-Fe-B
1.6.1. Phương pháp phun băng nguội nhanh
1.6.2. Phương pháp nghiền cơ năng lượng cao .
1.6.3. Các phương pháp khác .
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 .
1.7.2. Ảnh hưởng của các nguyên tố pha thêm .
1.8. Ứng dụng và thị trường của vật liệu nanocomposite Nd-Fe-B .
1.9. Nghiên cứu và phát triển vật liệu nanocomposite Nd-Fe-B ở Việt Nam
Kết luận chương 1
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 .
2.1.2. Chế tạo băng hợp kim Nd-Fe-B bằng phương pháp nguội nhanh
2.1.3. Chế tạo hợp kim Nd-Fe-B bằng phương pháp nghiền cơ năng lượng cao .
2.1.4. Xử lý nhiệt mẫu hợp kim Nd-Fe-B .
2.1.5. Ép tạo viên nam châm kết dính .
2.2. Các phương pháp nghiên cứu cấu trúc
2.2.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X .
2.2.2. Phương pháp hiển vi điện tử .
2.3. Các phép đo nghiên cứu tính chất từ .
2.3.1. Phép đo từ nhiệt trên hệ từ kế mẫu rung .
2.3.2. Phép đo từ trễ trên hệ từ trường xung .
Kết luận chương 2
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 .
3.2. Nâng cao nhiệt độ Curie của vật liệu nanocomposite Nd-Fe-B bằng cách thêm Co
3.3. Tăng cường lực kháng từ của vật liệu nancomposite Nd-Fe-B bằng cách thêm Pr và Dy
3.4. Tỷ phần Fe/B tối ưu của của vật liệu nanocomposite Nd-Fe-B với các nồng độ đất hiếm khác nhau
Kết luận chương 3 .
Chương 4. ẢNH HƯỞNG CỦA CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO LÊN TÍNH CHẤT TỪ CỦA VẬT LIỆU TỪ CỨNG 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
4.2. Nghiên cứu chế tạo vật liệu nanocomposite Nd-Fe-B bằng phương pháp nghiền cơ năng lượng cao .
4.3. Thử nghiệm chế tạo nam châm kết dính Nd-Fe-B
Kết luận chương 4
KẾT LUẬN CHUNG .
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ
TÀI LIỆU THAM KHẢO .




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)[SUB]max [/SUB]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[SUB]3[/SUB]B, a-Fe) và pha từ cứng (Nd[SUB]2[/SUB]Fe[SUB]14[/SUB]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)[SUB]max[/SUB] lớn. Loại vật liệu này có thể chỉ cần một lượng Nd bằng khoảng 1/3 so với nam châm thiêu kết Nd[SUB]2[/SUB]Fe[SUB]14[/SUB]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[SUB]c [/SUB]chưa cao, tích năng lượng cực đại (BH)[SUB]max [/SUB]thực tế nhỏ hơn 20 MGOe còn cách xa giới hạn lý thuyết (theo lý thuyết (BH)[SUB]max [/SUB]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.
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 chế tạo hợp kim từ cứng nền Nd-Fe-B cấu trúc nanomet bằng phương pháp nguội nhanh và nghiền cơ năng lượng cao.
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.
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[SUB]C[/SUB], 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)[SUB]max [/SUB]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.
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.




TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt

1. Nguyễn Huy Dân (2002), Nghiên cứu chế tạo, cấu trúc và tính chất từ của hợp kim từ cứng vô định hình khối nền Nd-Fe-Al, Luận án tiến sĩ Vật lý, Viện Khoa học Vật liệu, Hà Nội.
2. Mai Xuân Dương (2000), Nghiên cứu cấu trúc và tính chất từ của một số vật liệu từ vô định hình và nanômet, Luận án tiến sĩ Vật lý, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Hà Nội.
3. Thân Đức Hiền, Lưu Tuấn Tài (2008), Từ học và vật liệu từ, NXB Bách Khoa, Hà Nội.
4. Nguyễn Thị Thanh Huyền, Nguyễn Hải Yến, Đỗ Thành Chung, Đoàn Minh Thủy, Nguyễn Văn Nghĩa, Nguyễn Minh Thủy và Nguyễn Huy Dân (2009), Ảnh hưởng của tỉ phần Fe/B lên tính chất và cấu trúc của vật liệu nanocomposite RE-Nb-Fe-B (RE = Nd, Pr), Tuyển tập các báo cáo tại Hội nghị Vật lý chất rắn và Khoa học vật liệu toàn quốc lần thứ 6, NXB Khoa học Tự nhiên và Công nghệ, tr. 100-103.
5. Nguyễn Văn Khánh (2003), Nam châm kết dính trên cơ sở vật liệu từ Nd-Fe-B: Công nghệ chế tạo, tính chất và ứng dụng, Luận án tiến sĩ Vật lý, Trường Đại học Sư phạm Hà Nội.
6. Vũ Hồng Kỳ (2010), Nghiên cứu chế tạo, cấu trúc và tính chất từ của hợp kim nanocomposite Nd-Fe-Co-Al-B, Luận án tiến sĩ Vật lý, Viện Khoa học Vật liệu, Hà Nội.
7. Nguyễn Phú Thùy (2003), Vật lý các hiện tượng từ, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội, Hà Nội.
8. Đoàn Minh Thủy (2007), Nghiên cứu công nghệ chế tạo nam châm kết dính nguội nhanh nền Nd-Fe-B, Luận án tiến sĩ Vật lý, Viện Khoa học Vật liệu, Hà Nội.
9. Lê Thị Cát Tường, Phan Vĩnh Phúc, Trần Đăng Thành, Đỗ Hùng Mạnh, Nguyễn Hồng Quang và Trần Thị Đức (2006 ), Xác định kích thước hạt nano tinh thể bằng phương pháp nhiễu xạ tia X, Tuyển tập các báo cáo Hội nghị Vật lý chất rắn toàn quốc lần thứ VI, Hà Nội, tr. 1436.
10. Trần Quang Vinh (2001), “Thiết kế xây dựng hệ từ kế từ trường xungcao tại Việt Nam”, Luận án tiến sĩ Vật lý-Đại học quốc gia Hà Nội-Trường Đại học Khoa học Tự nhiên.

Tiếng Anh

1. Aharoni A. (1960), “Reduction in coercive force caused by a certain type of imperfection”, Phys. Rev., 119, pp. 127-131.
2. Bauer J., Seeger M., Zem A., and Kronmuller H. (1996), “Nanocrystalline Nd-Fe-B permanent magnets with enhanced remanence”, J. Appl. Phys., 80(3), pp. 1667-1673.
3. Betancourt J. I. (2002), “Nanocrystalline hard magnetic alloys”, Revista Mexicana de Fisica, 48, pp. 283-289.
4. Betancourt J. I., and Davies H. A. (1999), “Magnetic properties of nanocrystalline didymium (Nd–Pr)–Fe–B alloys”, J. Appl. Phys., 85, pp. 5911-5913.
5. Bolzoni F., Leccabue F., Moze O., Pareti L., and Solzi M. (1987), “3d and 4f magnetism in Nd[SUB]2[/SUB]Fe[SUB]14–x[/SUB]Co[SUB]x[/SUB]B and Y[SUB]2[/SUB]Fe[SUB]14–x[/SUB]Co[SUB]x[/SUB]B compounds”, J. Appl. Phys., 61, pp. 5369-5373.
6. Brown D., Bao M. M., and Zhongmin C. (2002), "Developments in the processing and properties of NdFeB-type permanent magnets", J. Magn. Magn. Mater., 248, pp. 432-440.
7. Buschow K. H. J., and de Boer. F. R. (2004), Physics of magnetism and magnetic materials, Kluwer Academic Plenum Publishers.
8. Chakka V. M., Altuncevahir B., Jin Z. Q., Li Y., and Liu J. P. (2006) “Magnetic nanoparticles produced by surfactant-assisted ball milling”, J. Appl. Phys., 99, pp. 08E912-1- 08E912-3.

Chang W.C., Wang S. H. , Chang S. J., and Chen Q. (2000), “Magnetic and microstructure studies of boron-enriched (Nd[SUB]0.95[/SUB]La[SUB]0.05[/SUB])[SUB]11[/SUB]Fe[SUB]76.5$-x[/SUB]Co[SUB]x[/SUB]Ti[SUB]2[/SUB]B[SUB]10.5[/SUB]