ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------

NGUYỄN THỊ HÀ MY

NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT TỪ CỦA HỢP KIM Fe50Co50 CÓ KÍCH THƢỚC
NANO MÉT TỔNG HỢP BẰNG PHƢƠNG PHÁP HỢP KIM CƠ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội - 2014


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------

NGUYỄN THỊ HÀ MY

NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT TỪ CỦA HỢP KIM Fe50Co50 CÓ KÍCH THƢỚC
NANO MÉT TỔNG HỢP BẰNG PHƢƠNG PHÁP HỢP KIM CƠ

Chuyên ngành: Vật lý chất rắn
Mã số: 60440104

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. ĐỖ HÙNG MẠNH



Tác giả luận văn

Nguyễn Thị Hà My

MỤC LỤC


Lời cảm ơn
Lời cam đoan
Mục lục
Các chữ viết tắt và các ký hiệu
Danh mục các hình
Danh mục các bảng
MỞ ĐẦU

1

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN

4

1.1. Giản đồ pha của Fe-Co

4

1.2. Các cấu trúc tinh thể của các pha Fe-Co

6


10

1.3.4.2. Dị hướng bề mặt

12

1.3.5. Đơn đômen

12

1.3.6. Siêu thuận từ

14

1.4. Tổng hợp vật liệu có kích thƣớc nano mét bằng phƣơng pháp hợp kim
cơ
1.4.1. Sơ lược về phương pháp hợp kim cơ

15
15

1.4.2. Nguyên lý của phương pháp hợp kim cơ

15

1.4.3. Thiết bị dùng trong phương pháp hợp kim cơ

16



27

2.4. Phân tích thành phần bằng phổ tán sắc năng lƣợng tia X

28

2.5. Các phép đo từ

29

2.5.1. Từ kế mẫu rung

29

2.5.2. Hệ đo các tính chất vật lý

30

CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

31

3.1. Lựa chọn các tham số nghiền tối ƣu

31

3.1.1. Tốc độ nghiền

31


42


3.3.2. Hình thái và kích thước hạt

43

3.3.3. Các tính chất từ

44

3.3.4. Sự ổn định của mẫu

50

KẾT LUẬN

52

Tài liệu tham khảo

56

Danh mục các công trình công bố

56

Danh mục các hình vẽ



7

fcc).
5

Hình 1.5. Đường cong từ trễ của vật liệu từ mềm

7

6

Hình 1.6. Đường cong từ hóa ban đầu của sắt từ

9

7

Hình 1.7. Dị hướng từ tinh thể của Fe.

11

8

Hình 1.8. Dị hướng từ tinh thể của Co.

11

9

Hình 1.9. Sự sắp xếp spin bề mặt của các hạt sắt từ trong hai

SPEX 8000D.
14

Hình 2.1. Quy trình chế tạo mẫu bằng phương pháp MA

23

15

Hình 2.2. Sơ đồ nguyên tắc để xử lý mẫu

23

16

Hình 2.3. Nhiễu xạ kế tia X D5000 tại VKHVL.

26


17

Hình 2.4. Các tín hiệu nhận được từ mẫu.

27

18

Hình 2.5. Toàn cảnh hệ kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường


Hình 3.2. Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu FeCo với các tỉ lệ bi:bột

33

khác nhau nghiền 10 giờ, tốc độ nghiền 450 vòng/phút.
24

Hình 3.3. Giản đồ nhiễu xạ tia X (a) của bột FeCo và (b) của cấu

34

trúc hcp của bột Co ở các thời gian nghiền khác nhau.
25

Hình 3.4. Kích thước tinh thể trung bình phụ thuộc thời gian

35

nghiền.
26

Hình 3.5. Ảnh FESEM của mẫu bột FeCo với thời gian nghiền

36

khác nhau: a) 1giờ; b) 10 giờ; c) 24 giờ và d) 32 giờ.
27

Hình 3.6. Các phổ EDX của một số mẫu bột FeCo tiêu biểu a)M6;



32

Hình 3.11. Giản đồ nhiễu xạ tia X của bột Fe50Co50 sau khi nghiền

42

32 giờ và được ủ tại các nhiệt độ khác nhau.
33

Hình 3.12. Kích thước tinh thể trung bình của mẫu 32 giờ phụ

43

thuộc nhiệt độ ủ.
34

Hình 3.13. Các ảnh hiển vi điện tử quét của hai mẫu bột FeCo tiêu

44

biểu a) M32 và b) M32-700.
35

Hình 3.14. Các phổ EDX của mẫu tiêu biểu M10-700.

44

36


Hình 3.19. Lực kháng từ phụ thuộc nhiệt độ đo của mẫu M10-700.

49

41

Hình 3.20. (a) Giản đồ XRD và (b) Ms của các mẫu M32 sau khi

51

xử lý nhiệt phụ thuộc thời gian bảo quản trong không khí.

Danh mục các bảng


Chú thích bảng

STT

Trang

1

Bảng 1.1. Nhiệt độ Curie của một số vật liệu sắt từ.

10

2

Bảng 1.2. Kích thước đơn đômen và hằng số dị hướng từ tinh

7

Bảng 3.1. Kích thước tinh thể và thông số mạng phụ thuộc vào

32

tốc độ nghiền.
8

Bảng 3.2. Kích thước tinh thể và thông số mạng phụ thuộc vào

33

tỉ lệ bi:bột.
9

Bảng 3.3. Các tính chất từ của các bột hợp kim nano tinh thể
được chế tạo bằng phương pháp hợp kim cơ và xử lý nhiệt tiếp
theo.

50


MỞ ĐẦU
Vật liệu từ mềm với các phẩm chất từ tuyệt vời: độ từ hóa bão hòa cao, nhiệt độ
Curie cao, lực kháng từ thấp… đã được sử dụng rộng rãi như làm các cực trong mô tô
điện và máy phát điện, trong lõi biến áp, các mạch chuyển đổi chuyển tiếp cho các hệ
thống thông tin liên lạc và các thiết bị điện khác... Hợp kim từ mềm thường tồn tại
dưới các hợp chất của sắt bao gồm thép cacbon thấp, silicon - sắt, niken cao - sắt và
hợp kim sắt - coban…[14]

pháp như thủy nhiệt, hợp kim cơ… nhằm sử dụng cho các ứng dụng trong nam châm
trao đổi đàn hồi và y sinh. Đã có một vài công bố sơ bộ về ảnh hưởng của thời gian
nghiền và nhiệt độ ủ tới các đặc trưng cấu trúc, tính chất từ của hợp kim Fe65Co35 [12,
13]. Tuy nhiên, những nghiên cứu về ảnh hưởng của ôxy hóa tới sự xuất hiện của các
pha tinh thể thứ cấp nền Fe và Co bên cạnh pha hợp kim chính Fe-Co với cấu trúc lập
phương tâm khối cũng như những biện luận thỏa đáng về ảnh hưởng của các pha này
tới tính chất từ cũng chưa được nghiên cứu tường minh.
Xuất phát từ tình hình nghiên cứu hợp kim Fe-Co dạng hạt trên thế giới cũng như
ở Việt Nam, căn cứ vào kinh nghiệm của Thầy hướng dẫn, trang thiết bị tại Viện
Khoa học vật liệu và cũng để phát triển, hoàn thiện những kết quả nghiên cứu đã đạt
được chúng tôi lựa chọn đề tài của luận văn:
“ Nghiên cứu tính chất từ của hợp kim Fe50Co50 có kích thước nano mét tổng
hợp bằng phương pháp hợp kim cơ ”
Mục tiêu của luận văn:
- Chế tạo thành công hệ hạt nano Fe50Co50 bằng phương pháp hợp kim cơ.
- Tìm hiểu ảnh hưởng của thời gian nghiền và nhiệt độ ủ tới các đặc trưng cấu
trúc, tính chất từ của hợp kim.
- Biện luận thỏa đáng ảnh hưởng của ôxy hóa tới cấu trúc, tính chất từ và sự ổn
định từ độ khi bảo quản ngoài không khí.
Phƣơng pháp nghiên cứu
Khóa luận được tiến hành bằng phương pháp thực nghiệm. Các kết quả thực
nghiệm được làm khớp với một số mô hình lý thuyết về cấu trúc và tính chất từ để
phân tích kết quả và biện luận.

2


Bố cục của khóa luận: luận văn gồm 56 trang với phần mở đầu, 3 chương nội dung
và kết luận. Cụ thể như sau:
Mở đầu

và cấu trúc bất trật tự lập phương tâm mặt A1, nhận thấy rằng ở hình 1.1 b pha trật tự
các nguyên tử của một loại nguyên tố chỉ chiếm vị trí tại các đỉnh hoặc các mặt của
khối lập phương. Trong khi đó với cấu trúc mất trật tự như ở hình 1.1 c các ion của hai
nguyên tố Fe và Pt có thể chiếm chỗ tại các đỉnh hoặc tâm mặt của hình lập phương.

4


Hình 1.1. Giản đồ minh họa a) cấu trúc L10; b) cấu trúc trật tự L12 và c) pha bất trật
tự A1 của hợp kim Fe-Pt [29]

T(0C)

Nguyên tử Co (%)

Khối lượng Co (%)

Hình 1.2. Giản đồ pha của Fe-Co [14]
Giản đồ pha của Fe-Co được biểu diễn trên hình 1.2. Từ giản đồ này có thể thấy
Fe và Co tạo nên hệ dung dịch rắn mất trật tự fcc (γ) ở nhiệt độ cao. Ở nhiệt độ trên
7300C với Co chiếm ~ 75% khối lượng thì hợp chất này tồn tại ở trạng thái dung dịch
rắn bcc (α). Dưới nhiệt độ 7300C, tồn tại dạng bcc (α) với thành phần nguyên tố cân

5


bằng nhau (trật tự nguyên tử theo dạng cấu trúc của CsCl (α1)). Sự chuyển đổi từ pha
trật tự - bất trật tự đóng một vai trò quan trọng trong việc xác định tính chất từ và
phẩm chất cơ học của vật liệu [14].
Hợp kim Fe-Co được xem là vật liệu có giá trị từ độ bão hòa cao nhất trong số

fcc

hcp

Hình 1.4. Các dạng cấu trúc tinh thể của Fe (bcc,
fcc) và Co (hcp, fcc).
Hằng số mạng cho hai dạng cấu trúc fcc và bcc của sắt lần lượt là 3,515 Å và
2,87 Å. Với Co cấu trúc hcp (α-Co) thì a = 2,51 Å và c = 4,07 Å trong khi đó cấu trúc
fcc (β-Co) có hằng số mạng là 3,55 Å.
1.3. Các tính chất từ [3, 5, 6]
Hợp kim Fe-Co là vật liệu từ mềm điển hình với các đặc trưng [3]:
- Từ độ bão hòa Ms cao,
- Lực kháng từ Hc nhỏ,
- Độ từ thẩm cao,
- Nhiệt độ Curie cao,
- Dị hướng thấp (vật liệu dễ từ hóa hơn).

Hình 1.5. Đường cong từ trễ của vật liệu từ mềm.

7


1.3.1. Từ độ bão hòa [3]
Từ độ bão hòa là giá trị từ độ khi được từ hóa đến từ trường đủ lớn (vượt qua giá
trị trường dị hướng) sao cho vật liệu ở trạng thái bão hòa từ, có nghĩa là các mômen từ
hoàn toàn song song với nhau.
Từ độ bão hòa là tham số đặc trưng của vật liệu sắt từ. Nếu ở không độ tuyệt đối
(0 K) thì nó là giá trị từ độ tự phát của chất sắt từ. Vật liệu là từ mềm có từ độ bão hòa
cao và hợp kim Fe-Co được biết đến là vật liệu từ mềm có từ độ bão hòa cao nhất hiện
nay (240 emu/g).

trúc hạt của vật liệu. Trình bày rõ hơn về đường cong từ hóa ban đầu:
Đƣờng cong từ hóa
Phân tích đường cong M(H), có thể phân chia thành ba giai đoạn quá trình từ hóa
mẫu.
Giai đoạn 1: dịch chuyển vách đomen (thuận nghịch và không thuận nghịch)
tương ứng với đường OB trên đồ thị hình 1.6.
Giai đoạn 2: các momen từ quay theo hướng từ trường ngoài, đoạn BC.
Giai đoạn 3: quá trình thuận, sự tăng momen từ sau khi đạt giá trị bão hòa (H >
Hs).
M
C
Ms
s

(3
))

(2
))

B
(1)
A

O
Hs

H

Hình 1.6. Đường cong từ hóa ban đầu của sắt từ.

sự thay đổi về cấu trúc.
Bảng 1.1. Nhiệt độ Curie của một số vật liệu sắt từ
Vật liệu

Tc (K)

Sắt

1043 K

Coban

1388 K

Niken

627 K

Gađôli

292,5 K

1.3.4. Dị hướng từ [5, 6]
Dị hướng từ là một đặc tính của vật liệu từ, dùng để mô tả sự định hướng ưu tiên
của từ độ tự phát theo một hướng của tinh thể và hệ quả của dị hướng là tạo ra các trục
từ hóa dễ và các trục từ hóa khó. Nguồn gốc của dị hướng từ liên quan đến các dạng
năng lượng cơ bản xác định trạng thái từ của vật liệu, trong đó phải kể đến năng lượng
dị hướng từ tinh thể, dị hướng bề mặt,...

10

9. Chen J. P., Sorensen C. M., Klabunde K. J., and Hadjipanayis G. C. (1994),
"Magnetic properties of nanophase cobalt particles synthesized in inversed
micelles", J. Appl. Phys., 76, pp. 6316-6318.
10. Chang Woo Kim, Young Hwan Kim, Hyun Gil Cha, Hae Woong Kwon, and
Young Soo Kang (2006), “Synthesis and Characterization of Highly Magnetized
Nanocrystalline Co30Fe70 Alloy by Chemical Reduction”, J. Phys. Chem. B, 110,
pp. 24418-24423.
11. Do Khanh Tung, Nguyen Minh Hong, Le Thi Hong Phong, Pham Thi Thanh, Ha
Hai Yen, Dao Nguyen Hoai Nam, Nguyen Xuan Phuc and Do Hung Manh
(2013), “Formation of nanocrystalline Fe50Co50 powders by mechanical
alloying”, Proceedings of IWNA 2013, 14-16 November-Vung Tau, Viet Nam.
12. Do Hung Manh, Do Khanh Tung, L. T. H. Phong, P. T. Thanh, Nguyen Xuan
Phuc (2014), “Facile Synthesis of High Magnetization Air-stable Fe65Co35
Nanoparticles by Mechanical Alloying”, JPS Conf. Proc. 1, 012010.
13. Do Hung Manh, Do Khanh Tung, Dao Nguyen Hoai Nam, Le Van Hong, Pham
Thanh Phong, and Nguyen Xuan Phuc (2014), “Magnetic Properties of Annealed
Fe65Co35 Powders Prepared By Mechanical Alloying”, IEEE Transactions on
Magnetic, Vol. 50, No. 6.
14. E. P. Wohlfarth (1980), Ferromagnetic Materials, vol 2, pp. 57-171.
15. Gaffet E, Bernard F, Niepce J, Charlot F and Gras C (1999), “Some recent
developments in mechanical activation and mechano synthesis”, J. Mater. Chem,
9, pp. 305-314.
16. Goldstein J. I., Newbery D. E. (2003), Scanning Electron Microscpoy and X-Ray
Microanalysis, Kluwer Academic/Plenum Publisher, New York.
17. G. Herzer (1995), Scr. Metall. Mater, 33, 1741.

12


18. Garanin D. A. and Kachkachi H (2003), "Surface contribution to the