Phòng Công nghệ và Ứng dụng vật liệu

Phát triển công nghệ chế tạo hợp kim MnBi có tỷ phần pha sắt từ cao. Nghiên cứu những vấn đề vật lý cơ bản và cái tiến kỹ thuật để chế tạo nam châm nano tổ hợp hai pha cứng/mềm và nam châm hybrid.

02/11/2021 - 04:06 PM 1.190 lượt xem

Cỡ chữ

CÁC THÀNH TỰU CHÍNH

Trưởng phòng
KS. Nguyễn Anh Minh

CHỨC NĂNG/NHIỆM VỤ:

Nghiên cứu và đào tạo

HƯỚNG NGHIÊN CỨU CHÍNH:

Phát triển công nghệ chế tạo hợp kim MnBi có tỷ phần pha sắt từ cao. Nghiên cứu những vấn đề vật lý cơ bản và cải tiến kỹ thuật để chế tạo nam châm nano tổ hợp hai pha cứng/mềm và nam châm hyprid
Chế tạo xương gồm cấu trúc tổ ong và bộ xử lý khí thải, xử lý các loại khí như CO, HC, NoX
Sản xuất lò đốt rác thải y tế kiểu xúc tác và lò đốt rác thải sinh hoạt kiểu xúc tác
Nghiên cứu chế tạo máy phát điện gió trục đứng công suất 500W - 3kw

Minhna@ims.vast.ac.vn

+84 913 202 256

CÁC THÀNH TỰU CHÍNH

1. Nghiên cứu giải pháp công nghệ chế tạo nam châm kết dính NdFeB chất lượng cao

Kỹ thuật nguội nhanh tạo ra sự lớn lên của mầm tinh thể không cân bằng dưới tác dụng của sự giảm nhiệt nhanh, DT, có hướng vuông góc với bề mặt trống. Mầm tinh thể hình thành và lớn lên từ trạng thái rắn – lỏng, xuất hiện sức căng bề mặt rắn – lỏng gSL.A, ở đây gSL là hệ số căng, A là diện tích bề mặt phân cách rắn – lỏng. Kích thước tới hạn của mầm r* được xác định theo biểu thức eq.1:

(eq.1)

Ở đây, DHf là ẩn nhiệt nóng chảy, Tm là nhiệt độ nóng chảy. Trong thực nghiệm phun băng nguội nhanh, ẩn nhiệt của tiến trình đóng rắn được hấp thụ bởi trống đồng, kích thước tới hạn của mầm cũng được điều khiển bởi tốc độ trống quay:

(eq.2)

Trong biểu thức eq.2, DEvol là năng lượng hấp thụ của mầm, nó phụ thuộc và khả năng hấp thụ α năng lượng nhiệt của trống hay nói cách khác nó phụ thuộc vào vận tốc trốngvw. Mối liên hệ giữa DEvol vàDHf được thể hiện trong biểu thức eq.3:

(eq.3)

Vấn đề được hiểu rằng khi phun nguội nhanh trong từ trường nếu như mầm tinh thể có tính chất sắt từ thì một phần năng lượng lượng thể tích phải bị thay đổi bằng năng lượng hấp thụ của từ trường ngoài để tạo ra mầm. Như vậy, trong trường hợp có mặt của từ trường trong phun băng nguội nhanh, kích thước tới hạn của mầm được biểu diễn bằng biểu thức eq.4:

(eq.4)

Biểu thức eq.4 cho thấy rằng kích thước tới hạn của mầm sắt từ giảm bởi sự tăng sức mạnh của từ trường có mặt trong quá trình phun băng nguội nhanh. Hiệu ứng này dẫn tới sự giảm kích thước hạt trung bình của hạt trong băng nguội nhanh khi có mặt của từ trường so với trường hợp không có từ trường ngoài tác dụng trong quá trình phun băng nguội nhanh.

Nam châm dị hướng được chế tạo từ băng nguội nhanh NdFeB/FeCo phun trong từ trường, đường cong khử từ đo theo hướng song song và vuông góc với phương nạp từ được trình bày trên hình 1. Từ độ dư Mr của mẫu đo song song (HMeasure êêHAlign) đạt 8,8 kG cao hơn 1,2 kG so với mẫu khi đo vuông góc (HMeasure ^êHAlign). Góc định hướng chất lượng của nam châm được xác định bằng góc lệch trung bình. y = arctan [2Mr^/Mr//], ở đây Mr^ và Mr// là từ độ dư của phép đo mẫu theo phương song song và vuông góc. Trường hợp thông thường khi định hướng hoàn hảo y = 0 và khi y = 90o cho trường hợp không có định hướng. Trong kết quả của chúng tôi, y ~ 56o, tương ứng với sự định hướng trung bình. Mức độ định hướng này cho phép giữ được trường kháng từ nội, iHc =7,0 kOe khiến tích năng lượng từ đạt được kết quả khá cao, (BH)max = 10 MGOe.

Hình 1: Đường cong khử từ của nam châm NdFeB/FeCo đo theo hướng song song và vuông góc với từ trường ép viên.

2. Nghiên cứu giải pháp công nghệ chế tạo nam châm MnBi chất lượng cao

Mẫu hợp kim Mn50Bi50 sau khi nấu hồ quang cho thấy chủ yếu bao gồm các hạt Mn bao bọc xung quanh bằng nền Bi. Khi mẫu hợp kim Mn50Bi50 được ủ tại nhiệt độ trong vùng 271 – 355 oC, vi vùng Bi ở trạng thái nóng chảy, các nguyên tử Bi sẽ khuyếch tán và phản ứng với các nguyên tử Mn để tạo ra pha LTP.
Giả thiết rằng thời gian phản ứng giữa Mn và Bi để tạo ra pha LTP nhỏ hơn rất nhiều so với thời gian khuyếch tán tvà các hạt Mn có kích thước trung bình dMn. Tốc độ hình thành pha LTP d(t) phụ thuộc vào quá trình khuyếch tán của Mn và Bi.
Không mất đi bản chất, ta có thể mô tả quá trình tạo pha LTP theo thời gian d(t) bằng quá trình khuyếch tán một chiều của Bi trên quãng đường khuyếch tán dMn. Phương trình miêu tả quá trình này có dạng:

với các điều kiện biên:

(eq.7)

Ở đây, y là tọa độ theo độ dài khuyếch tán dMn, t là thời gian khuyếch tán (chính là thời gian ủ) tính từ khi nhiệt độ mẫu bắt đầu đạt nhiệt độ ủ Ta. D(t) là hệ số khuyếch tán của Bi vào vi vùng giàu Mn. Pa là áp suất trong buồng ủ, do là tỷ phần pha LTP ở mặt tiếp giáp giữa hạt Mn và nền Bi tại thời điểm ban đầu, d¥ là tỷ phần tương ứng cho trường hợp thời gian ủ dài vô hạn.
Tỷ phần d hình thành trong các mẫu ủ với thời gian ủ khác nhau được xác định bằng phân tích Rietveld giản đồ XRD của mẫu. Do phép xác định này mang tính trung bình dựa trên phép làm trùng các đỉnh nhiễu xạ trong khoảng góc 2q sử dụng nên để so sánh kết quả tính toán và thực nghiệm, tỷ phần LTP phụ thuộc vào thời gian ủ d(t) phải được lấy trung bình theo kích thước hạt dMn như sau:

Cuối cùng ta có nghiệm:

với

Có thể cho rằng hệ số khuyếch tán D là hằng số, không thay đổi theo thời gian ủ, và do vậy ta có . Trên cơ sở lý thuyết này, công nghệ nấu tiền hợp kim được điều chỉnh để thu được cấu trúc hạt mịn, giúp giảm thời gian ủ nhiệt
Hợp kim MnBi sau ủ được nghiền trong thiết bị nghiền bi năng lượng thấp dùng bi đường kính 3mm, tỷ lệ trọng lượng bi:bột bằng 10:1. Nam châm MnBi được ép dị hướng trong khuôn phi từ. Bột trong khuôn được quay tự do và định hướng song song với hướng từ trường có cường độ 18 kOe và định vị với áp suất nén P trong khoảng 600 - 1800 psi có hướng vuông góc với hướng của từ trường. Tại áp suất ép này, mẫu được thiêu kết tại 300 oC trong thời gian 10 phút. Phần Bi dư thừa tại nhiệt độ thiêu kết này đóng vai trò như chất kết dính nền kim loại, bao quanh các hạt MnBi vừa làm tăng độ chắc của nam châm, vừa làm phân lập các hạt để điều chỉnh trường kháng từ trong khoảng 3 – 7 kOe.
Nam châm khối MnBi được thiêu kết trong môi trường dư thừa Bi. Tại nhiệt độ 300 oC, Bi dư thừa ở trạng thái lỏng, dưới tác động của áp suất P, Bi dễ dàng điền đày chỗ trống và thậm chí chuyển dịch ra mặt ngoài của nam châm làm thành một lớp bảo vệ bề mặt.

Hình 2: Vòng từ trễ của một nam châm MnBi chất lượng cao. Hình kèm theo diễn tả đường B(H)

Hình 2 trình bày vòng từ trễ của một nam châm chất lượng cao được chế tạo với các tham số công nghệ: hợp kim MnBi với tỷ phần LTP d = 97%wt, nghiền trong máy nghiền bi năng lượng thấp đến độ hạt trung bình ~ 5 µm, dị hướng bột trong từ trường 18 kOe, ép nóng với P = 1500 psi tại Ta = 300 oC trong thời gian ta = 10 phút. Nam châm có tỷ trọng r = 8,4 g/cm3, tỷ số Mr/Ms = 0,92, tỷ số giữa hai giá trị trường kháng từ bHc/iHc = 0,89, bHc = 2,97 kOe, đường tải cắt đường khử từ tại Bl = 3,91 kG và Hl = 2,16 kOe. Tích năng lượng từ cực đại của nam châm (BH)max = 8,4 MG.Oe

CÁC CÔNG BỐ TIÊU BIỂU

Nguyen Xuan Truong and Nguyen Van Vuong, Preparation and Magnetic Properties of MnBi Alloy and its Hybridization with NdFeB, Journal of Magnetics, 20(4) (2015) 1-6.
Nguyen Xuan Truong, Nguyen Van Vuong, Magnetic field assisted melt–spinning Nd-Fe-B ribbons and anisotropic bonded NdFeB magnets prepared thereof, Communications in Physics, 26 (1) (2016) 59 – 66.
Trịnh Xuân Hiệp, Nguyễn Xuân Trường, Nguyễn Văn Dũng, Vũ Văn Chinh, Kết tinh thạch cao và tái tạo axit clohydric bằng phản ứng của dung dịch canxi clorua với axit sunfuric, Tạp chí Hóa học 54 (5e1,2) (2016) 284 – 288.
Trinh Xuan Hiep, Nguyen Xuan Truong, Nguyen Van Dung, Vu Van Chinh, Production of dicalcium phosphate from Lao Cai second grade apatite ore leached by dilute hydrochloric acid, Journal of Science and Technology 55 (2) (2017) 209-219.
Vuong Van Nguyen, Truong Xuan Nguyen, An Approach for Preparing High-Performance MnBi Alloys and Magnets, Journal of Electronic Materials, 46 (2017) 3333–3340.
Truong Xuan Nguyen, Oanh Kim Thi Vuong, Hieu Trung Nguyen and Vuong Van Nguyen, Preparation and magnetic properties of MnBi/Co nanocomposite magnets, Journal of Electronic Materials, 46 (2017) 3359–3366.
Truong Xuan Nguyen, Khanh Van Nguyen, Vuong Van Nguyen, Enhancement of exchange coupling interaction of NdFeB/MnBi hybrid magnets, Physica B: Condensed Matter, 532 (2018) 130-134.
Vuong Van Nguyen, Truong Xuan Nguyen, Effects of microstructures on the performance of rare-earth-free MnBi magnetic materials and magnets, Physica B: Condensed Matter, 532 (2018) 103-107.
Truong Xuan Nguyen, Hai Van Pham, Vuong Van Nguyen, Effect of Sb substitution on structural and magnetic properties of MnBi based alloys, Physica B: Condensed Matter, 551(2019) 190-194
Truong Xuan Nguyen, Vuong Van Nguyen, Fabrication of MnBi alloys with high ferromagnetic phase content: effects of heat treatment regimes and dopants, Journal of materials science. Materials in electronics, 30(7) (2019) 6888 - 6894.

TRANG THIẾT BỊ CHÍNH

Phòng không có trang thiết bị chiều sâu,mọi công việc đều dùng thiết bị của phòng thí nghiệm trọng điểm và thiết bị tự mua.

LĨNH VỰC NỔI BẬT

Nghiên cứu khoa học, phát triển công nghệ, ứng dụng và chuyển giao sản phẩm, dịch vụ KHCN; hợp tác quốc tế và đào tạo trong lĩnh vực khoa học công nghệ vật liệu và các lĩnh vực khác có liên quan.

30 + Năm thành lập
Thành lập ngày 11 tháng 6 năm 1993
Khen thưởng
Huân chương Lao động hạng nhất
230 + Cán bộ
2 Giáo sư, 12 Phó giáo sư, 12 Nghiên cứu viên cao cấp, 84 Tiến sĩ …