Đề cương đề tài: Nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất từ nhiệt của hợp kim Heusler

Trong xu hướng phát triển mạnh mẽ hiện nay của xã hội loài người, con người  ngày càng có cuộc sống hiện đại và yêu cầu cao hơn. Do đó, vật liệu từ nhiệt đã được tạo ra nhằm đáp ứng những yêu cầu đó. Vật liệu từ nhiệt có khả năng thay đổi nhiệt độ nhờ vào tác động của từ trường ngoài. Vì vậy, vật liệu từ nhiệt đã được nghiên cứu và đưa vào ứng dụng trong lĩnh vực làm lạnh bằng từ trường. Việc làm lạnh bằng từ trường dựa trên nguyên lý từ trường làm thay đổi entropy của vật liệu.

Cho đến nay, vật liệu có hiệu ứng từ nhiệt (MagnetoCaloric Effect - MCE) đã được ứng dụng trong kỹ thuật làm lạnh ở nhiệt độ rất thấp (đến cỡ micro Kelvin). Các máy làm lạnh bằng từ trường (sử dụng vật liệu từ nhiệt) ở vùng nhiệt độ phòng đang được thử nghiệm. Việc ứng dụng vật liệu từ nhiệt trong các máy làm lạnh có ưu điểm là không gây ô nhiễm môi trường như các máy lạnh dùng khí, có khả năng nâng cao được hiệu suất làm lạnh, tiết kiệm được năng lượng, kích thước nhỏ gọn  và có thể dùng trong một số ứng dụng đặc biệt. Mục tiêu chính hiện nay đối với các nghiên cứu về từ nhiệt là tìm ra các loại vật liệu có hiệu ứng từ nhiệt lớn xảy ra xung quanh nhiệt độ phòng và trong biến thiên từ trường nhỏ (vì các máy móc dân dụng không thể tạo ra từ trường lớn). Hợp kim Heusler đang là một trong những vật liệu đáp ứng được những yêu cầu trên.

Hợp kim Heusler là một loại vật liệu có khả năng cho hiệu ứng từ nhiệt lớn. Thuật ngữ "Hợp kim Heusler" được đặt theo tên của nhà khoa học Đức Friedrich Heusler (1866-1947) người đã phát hiện ra hợp kim Cu₂MnAl có tính sắt từ vào năm 1903, mặc dù hợp kim này chỉ chứa các nguyên tố không mang tính sắt từ ở dạng đơn chất.

Năm 2003, Zhang và cộng sự đã chế tạo hợp kim từ nhiệt Fe₂MnSi_1-xGe_x bằng phương pháp phản ứng pha rắn [60]. Hợp kim có biến thiên entropy từ DS_m đạt được là 1,7 J/(kg.K) và nhiệt độ Curie T_C = 260 K. Năm 2005, khi nghiên cứu các hợp chất Ni-Mn-Ga, nhóm của Zhou [62] đã thu được biến thiên entropy từ rất lớn (20,4 J/(kg.K)) đối với hợp phần Ni_55,2Mn_18,6Ga_26,2 và có nhiệt độ chuyển pha T_C ở gần nhiệt độ phòng (315 K). Ngoài khả năng cho hiệu ứng từ nhiệt lớn, hợp kim Heusler còn có ưu điểm là có điện trở suất lớn (tránh tổn hao Fuco), dễ thay đổi nhiệt độ chuyển pha từ và không chứa đất hiếm (giá thành đắt)... Đó là các yêu cầu cần thiết cho ứng dụng thực tế.

Hợp kim Ni_0,5Mn_0,5-xSb_x thuộc loại hợp kim Heusler và loại hợp kim này có thể thay đổi tính chất từ dễ dàng nhờ vào sự điều chỉnh hàm lượng Sb. Mặt khác, hợp kim Ni_0,5Mn_0,5-xSb_x có giá thành rẻ, không độc hại và chế tạo không quá phức tạp. Vì vậy, vật liệu này đang là đối tượng rất có triển vọng để đưa vào ứng dụng trong thực tế.

Với những lý do nêu trên chúng tôi quyết định chọn đề tài luận văn là:

 "Nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất từ nhiệt của hợp kim Heusler Ni_0,5Mn_0,5-xSb_x  (x = 0 ÷ 0,4) ".

Mục đích nghiên cứu

Chế tạo được các hợp kim Heusler Ni_0,5Mn_0,5-xSb_x có hiệu ứng từ nhiệt lớn để định hướng ứng dụng trong thiết bị làm lạnh bằng từ trường  ở vùng nhiệt độ phòng.

Nhiệm vụ nghiên cứu

-  Chế tạo các hợp kim Heusler Ni_0,5Mn_0,5-xSb_x.

-  Khảo sát cấu trúc và thành phần các pha trong mẫu.

-  Nghiên cứu tính chất từ và hiệu ứng từ nhiệt của hợp kim Heusler Ni_0,5Mn_0,5-xSb_x.

Đối tượng, phạm vi nghiên cứu

-  Hợp kim Heusler Ni_0,5Mn_0,5-xSb_x với x = 0 ÷ 0,4.

Phương pháp nghiên cứu

-  Luận văn được thực hiện bằng phương pháp thực nghiệm.

Chế tạo mẫu

-  Chế tạo mẫu hợp kim Heusler bằng phương pháp hồ quang.

-  Ủ nhiệt để làm ổn định cấu trúc mẫu.

Các phép đo khảo sát cấu trúc và tính chất của vật liệu

Các phép đo khảo sát cấu trúc và thành phần các pha trong mẫu:

-  Nhiễu xạ tia X (XRD): xác định cấu trúc mạng tinh thể, các pha cấu trúc trong vật liệu.

Các phép đo nghiên cứu tính chất từ:

-  Phép đo sự phụ thuộc của từ độ của vật liệu vào từ trường ngoài M(H) ở các nhiệt độ khác nhau, từ đó xác định biến thiên entropy từ để đánh giá được hiệu ứng từ nhiệt.

-  Phép đo sự phụ thuộc của từ độ của vật liệu vào nhiệt độ M(T) để xác định nhiệt độ Curie T_C.

Nội dung của luận văn

Ngoài phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo, luận văn  được trình bày trong 3 chương:

Chương 1. Tổng quan về hợp kim Heusler và vật liệu từ nhiệt

                   1.1. Tổng quan về vật liệu từ nhiệt

                   1.2. Hiệu ứng từ nhiệt trong các hợp kim Heusler

Chương 2. Thực nghiệm

                   2.1. Chế tạo mẫu

                   2.2. Phép đo phân tích cấu trúc

                   2.3. Các phép đo khảo sát tính chất từ và từ nhiệt

Chương 3. Kết quả và thảo luận

                   3.1. Kết quả phân tích cấu trúc

                   3.2. Kết quả khảo sát tính chất từ nhiệt

                   3.3. Cơ chế chuyển pha và các tham số tới hạn

   Luận văn 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.