Luận án Tiến sĩ Đỗ Khánh Tùng: Chế tạo & tính chất từ hạt nano Fe-Co nghiền cơ năng lượng cao

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- ĐỖ KHÁNH TÙNG NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ TÍNH CHẤT TỪ CỦA HỆ HẠT NANO TỪ Fe, Co BẰNG PHƯƠNG PHÁP NGHIỀN CƠ NĂNG LƯỢNG CAO LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU Hà Nội – 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- Đỗ Khánh Tùng NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ TÍNH CHẤT TỪ CỦA HỆ HẠT NANO TỪ Fe, Co BẰNG PHƯƠNG PHÁP NGHIỀN CƠ NĂNG LƯỢNG CAO Chuyên ngành: Vật liệu điện tử Mã số: 9.23 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. Nguyễn Xuân Phúc Hà Nội – 2019 LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS. Đỗ Hùng Mạnh và GS. Nguyễn Xuân Phúc, hai người Thầy đã dành cho tôi sự động viên, giúp đỡ tận tình và những định hướng khoa học hiệu quả trong suốt quá trình thực hiện luận án.

Tôi xin cảm ơn sự chỉ bảo, giúp đỡ và khích lệ của PGS. Vũ Đình Lãm đã dành cho tôi trong những năm qua. Tôi xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến TS. Vũ Hồng Kỳ, TS.

Nguyễn Thị Ngọc Anh, TS. Nguyễn Thanh Hường về sự giúp đỡ nhiệt tình và hiệu quả trong giai đoạn hoàn thiện luận án. Tôi xin được cảm ơn sự cộng tác và giúp đỡ đầy hiệu quả của TS. Phạm Hồng Nam, TS.

Lưu Hữu Nguyên, NCS. Lê Thị Hồng Phong, TS. Bùi Xuân Khuyến và các cán bộ Phòng Vật lý vật liệu từ và siêu dẫn - Viện Khoa học vật liệu - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, nơi tôi hoàn thành luận án. Tôi xin được cảm ơn sự cộng tác và giúp đỡ của GS.

Nguyễn Huy Dân, PGS. Trần Đăng Thành, TS. Phạm Thị Thanh, TS. Nguyễn Hải Yến về những hợp tác nghiên cứu và giúp đỡ tôi thực hiện một số phép đo nghiên cứu cấu trúc và tính chất từ của vật liệu.

Tôi xin được gửi lời cảm ơn chân thành tới GS. Catherine Djega-Mariadassou, GS Lotfi Bessais, Phòng thí nghiệm Hóa luyện kim đất hiếm, Viện Hóa học và Khoa học vật liệu Đông Paris, Trung tâm nghiên cứu quốc gia (ICMPE-CMTR, CNRS), Cộng hòa Pháp về những sự chỉ bảo tận tình, tạo điều kiện cho tôi thực hiện nhiều thí nghiệm, phép đo trong quá trình trao đổi nghiên cứu khoa học. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn Quỹ NAFOSTED đã tài trợ kinh phí cho chuyến đi trao đổi hợp tác nghiên cứu khoa học quốc tế này. Tôi xin trân trọng cảm ơn sự giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi của cơ sở đào tạo là Học viện Khoa học và Công nghệ cùng Viện Khoa học vật liệu, cơ quan mà tôi công tác, trong quá trình thực hiện luận án.

Luận án này được hỗ trợ kinh phí của Đề tài cấp cơ sở mã số CSCL05.14 (Viện Khoa học vật liệu), đề tài nghiên cứu cơ bản mã số 103. Luận án được thực hiện tại Phòng Vật lý vật liệu từ và siêu dẫn, Viện Khoa học vật liệu và Phòng thí nghiệm Hóa luyện kim đất hiếm, Viện Hóa học và Khoa học vật liệu Đông Paris, Trung tâm nghiên cứu quốc gia (ICMPE-CMTR, CNRS), Cộng hòa Pháp. i Sau cùng, tôi muốn gửi tới tất cả những người thân trong gia đình và bạn bè lời cảm ơn chân thành nhất. Chính sự tin yêu mong đợi của gia đình và bạn bè đã tạo động lực cho tôi thực hiện thành công luận án này.

Tác giả luận án Đỗ Khánh Tùng ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của PGS. Đỗ Hùng Mạnh và GS. Nguyễn Xuân Phúc. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án được trích dẫn lại từ các bài báo đã được xuất bản của tôi và các cộng sự.

Các số liệu, kết quả nghiên cứu là trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận án Đỗ Khánh Tùng iii MỤC LỤC Trang Lời cảm ơn i Lời cam đoan iii Danh mục các chữ viết tắt và kí hiệu vii Danh mục các bảng biểu xi Danh mục các hình vẽ và đồ thị xiv MỞ ĐẦU 1 Chương 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU NANO TỪ Fe-Co 7 1. Tổng quan về vật liệu nano từ Fe-Co 9 1. Tính chất từ của các hệ hạt nano từ 9 1.

Các hạt đơn đômen và siêu thuận từ 12 1. Lực kháng từ của các hạt từ kích thước nanô 13 1. Tương tác trao đổi 14 1. Dị hướng từ tinh thể 15 1.

Vật liệu nano từ Fe-Co 16 1. Giản đồ pha vật liệu Fe-Co 16 1. Tính chất từ của vật liệu Fe-Co 18 1. Các phương pháp chế tạo vật liệu Fe-Co 19 1.

Vật liệu nano từ tổ hợp hai pha cứng/mềm 24 1. Vật liệu nano từ tổ hợp hai pha cứng/mềm 24 1. Lý do lựa chọn vật liệu nanocomposite Fe-Co và SmCo5. Vật liệu nano từ trong đốt nóng cảm ứng từ 31 1.

Các hạt nano từ cho ứng dụng nhiệt từ trị 31 1. Cơ chế vật lý của hiệu ứng đốt nóng hạt nano từ 32 Chương 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 34 2. Chế tạo mẫu bằng phương pháp nghiền cơ năng lượng cao 34 2. Các phương pháp phân tích cấu trúc 42 2.

Phương pháp nhiễu xạ tia X 42 2. Phân tích cấu trúc dựa trên số liệu nhiễu xạ tia X mẫu bột 44 2. Phương pháp Phổ hấp phụ tia X 46 2. Hiển vi điện tử quét 48 iv 2.

Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) 50 2. Các phương pháp đo tính chất từ 51 2. Phép đo tính chất từ trên hệ từ kế mẫu rung 51 2. Phép đo tính chất từ trên hệ đo các tính chất vật lý PPMS 52 2.

Phép đo tính chất từ trên hệ đo từ trường xung 53 2. Đốt nóng cảm ứng từ 55 2. Kỹ thuật thiêu kết xung điện Plasma 56 Kết luận Chương 2 58 Chương 3: ĐẶC TRƯNG CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT TỪ CỦA HỆ 59 VẬT LIỆU TỪ NANO Fe-Co CHẾ TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP NGHIỀN CƠ NĂNG LƯỢNG CAO 3. Khảo sát điều kiện công nghệ tối ưu để chế tạo vật liệu từ nano Fe-Co 59 bằng phương pháp nghiền cơ năng lượng cao 3.

Ảnh hưởng của tốc độ nghiền 60 3. Ảnh hưởng của tỷ lệ bi/bột 62 3. Ảnh hưởng của thời gian nghiền 64 3. Khảo sát tỉ phần tối ưu Fe/Co lên đặc trưng tính chất của vật liệu Fe-Co 66 3.

Đặc trưng cấu trúc và tính chất từ của hệ Fe50Co50 70 3. Đặc trưng cấu trúc theo thời gian nghiền 70 3. Đặc trưng tính chất từ theo thời gian nghiền 73 3. Đặc trưng tính chất theo chế độ ủ nhiệt 76 3.

Đặc trưng cấu trúc và tính chất từ của hệ Fe65Co35 82 3. Đặc trưng cấu trúc theo thời gian nghiền 82 3. Đặc trưng tính chất từ theo thời gian nghiền 88 3. Đặc trưng tính chất theo chế độ ủ nhiệt 91 3.

Đặc trưng cấu trúc và tính chất từ của hệ Fe 95 3. Đặc trưng cấu trúc của hệ Fe 95 3. Đặc trưng tính chất từ của hệ Fe 99 Kết luận Chương 3 102 Chương 4: CÁC ỨNG DỤNG CỦA VẬT LIỆU TỪ NANO Fe, Fe-Co 105 4. Vật liệu nano từ Fe-Co trong chế tạo nam châm nanocomposite 105 4.

Ảnh hưởng của điều kiện công nghệ 106 v 4. Ảnh hưởng của tốc độ nghiền 106 4. Ảnh hưởng của thời gian nghiền 109 4. Ảnh hưởng của tỷ phần 112 4.

Ảnh hưởng của nhiệt độ ủ 115 4. Ảnh hưởng của thiêu kết xung điện Plasma 118 4. Vật liệu nano Fe, Fe-Co trong nhiệt từ trị 121 4. Khả năng sinh nhiệt của chất lỏng chứa nano Fe.

Khả năng sinh nhiệt của chất lỏng chứa nano Fe-Co 124 Kết luận Chương 4 127 KẾT LUẬN 129 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 131 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 133 TÀI LIỆU THAM KHẢO 134 vi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU 1. Danh mục các ký hiệu viết tắt a : Hằng số mạng C : Nhiệt dung riêng c : Nồng độ hạt từ E : Năng lượng dị hướng Ea : Năng lượng kích hoạt dx : Mật độ khối lượng D : Kích thước hạt Dc : Kích thước tới hạn đơn đômen DFESEM : Kích thước từ ảnh FESEM DTEM : Kích thước tử ảnh TEM DSP : Kích thước siêu thuận từ DXRD : Kích thước từ giản đổ XRD f : Tần số fo : Tần số tiêu chuẩn H : Cường độ từ trường HA : Trường dị hướng HC : Lực kháng từ Hmax : Từ trường lớn nhất Hmin : Từ trường nhỏ nhất HH : Lực kháng từ của pha từ cứng HS : Lực kháng từ của pha từ mềm K : Hằng số dị hướng Keff : Hằng số dị hướng hiệu dụng KV : Hằng số dị hướng từ tinh thể KS : Hằng số dị hướng bề mặt kB : Hằng số Boltzmann m : Khối lượng M : Từ độ M(0) : Từ độ ở 0K vii Mr : Từ dư MS : Từ độ bão hòa MH : Từ độ bão hòa của pha từ cứng MS : Từ độ bão hòa của pha từ mềm n : Số hạt trên một đơn vị thể tích P : Công suất Phys : Công suất tổn hao từ trễ Q : Nhiệt lượng thu vào T : Nhiệt độ TB : Nhiệt độ khóa Tb : Nhiệt độ bão hòa TC : Nhiệt độ Curie To : Nhiệt độ hiệu dụng ΔT : Độ biến thiên nhiệt độ t : Thời gian V : Thể tích hạt Vopt : Thể tích tối ưu hạt W : Năng lượng từ hóa  : Khối lượng riêng 0 : Độ từ thẩm trong chân không χ’ : Phần thực của độ cảm từ xoay chiều χ’’ : Phần ảo của độ cảm từ xoay chiều τ : Thời gian hồi phục hiệu dụng τB : Thờ gian hồi phục Brown τm : Thời gian hồi phục đặc trưng của các phép đo hồi phục 𝜏 : Thời gian hồi phục Neél τ0 : Thời gian hồi phục đặc trưng ω0 : Tần số Larmor viii 2.