I. Tổng quan về hợp kim Heusler Ni50Mn38Sb12B3 và từ tính
Hiệu ứng từ nhiệt là một hiện tượng nhiệt động lực học từ tính, thể hiện sự thay đổi nhiệt độ của vật liệu từ dưới tác dụng của từ trường. Một từ trường ngoài có thể ảnh hưởng mạnh lên trật tự từ của một vật liệu. Trong quá trình từ hóa đoạn nhiệt, sự suy giảm entropy từ của hệ spin trong quá trình định hướng theo từ trường ngoài sẽ được cân bằng lại bằng sự gia tăng entropy của mạng tinh thể và do đó nhiệt độ của vật liệu tăng lên. Quá trình khử từ đoạn nhiệt là quá trình ngược lại, sự gia tăng entropy của hệ spin nhằm thiết lập lại trạng thái ban đầu sẽ được thỏa mãn nhờ sự suy giảm entropy của mạng tinh thể và do đó nhiệt độ của vật liệu giảm xuống. Kết quả của quá trình làm thay đổi nhiệt độ của vật liệu được gọi là hiệu ứng từ nhiệt (Magnetocaloric effect - MCE). Nếu quá trình từ hóa và khử từ được thực hiện trong điều kiện đẳng nhiệt (trong môi trường nhiệt độ không đổi) thì vật có thể sinh nhiệt hay thu nhiệt. Nhờ đặc tính này hiệu ứng từ nhiệt được ứng dụng trong kỹ thuật làm lạnh.
1.1. Khái niệm cơ bản về hiệu ứng từ nhiệt MCE
Hiệu ứng từ nhiệt (MCE) là hiện tượng vật liệu từ thay đổi nhiệt độ khi tiếp xúc với từ trường biến thiên. Đây là một hiện tượng nhiệt động lực học từ tính, trong đó sự thay đổi từ trường dẫn đến sự thay đổi entropy từ, từ đó ảnh hưởng đến nhiệt độ của vật liệu. Hiệu ứng này có tiềm năng ứng dụng lớn trong công nghệ làm lạnh từ, một giải pháp thay thế thân thiện với môi trường hơn so với các phương pháp làm lạnh truyền thống. Các nghiên cứu hiện nay tập trung vào việc tìm kiếm và phát triển các vật liệu có hiệu ứng MCE lớn ở nhiệt độ phòng, mở ra cơ hội cho các thiết bị làm lạnh hiệu quả và bền vững.
1.2. Ứng dụng tiềm năng của hợp kim Heusler trong làm lạnh từ
Các hợp kim Heusler, đặc biệt là các hợp kim chứa Niken (Ni), Mangan (Mn) và Antimon (Sb), đang thu hút sự chú ý lớn trong lĩnh vực làm lạnh từ. Những vật liệu này thể hiện hiệu ứng từ nhiệt đáng kể gần nhiệt độ phòng, làm cho chúng trở thành ứng cử viên tiềm năng cho các thiết bị làm lạnh từ hiệu quả. Khả năng điều chỉnh thành phần và cấu trúc của hợp kim Heusler cho phép tối ưu hóa các tính chất từ nhiệt, mở ra cơ hội phát triển các giải pháp làm lạnh tùy chỉnh cho nhiều ứng dụng khác nhau. Việc nghiên cứu sâu hơn về các hợp kim này có thể dẫn đến các đột phá trong công nghệ làm lạnh.
II. Thách thức và vấn đề trong nghiên cứu hợp kim Ni50Mn38Sb12B3
Mặc dù kỹ thuật làm lạnh bằng phương pháp khử từ đoạn nhiệt các muối thuận từ đã đạt được nhiệt độ cỡ Milikelvin trong những năm gần đây, nhưng những nghiên cứu về hiệu ứng từ nhiệt và các vật liệu từ nhiệt đối với các ứng dụng trong các thiết bị làm lạnh có hiệu ứng từ nhiệt trong vùng nhiệt độ phòng vẫn tiếp tục được nghiên cứu. Những năm gần đây, các nhà khoa học đã phát hiện ra hiệu ứng từ nhiệt khổng lồ (giant MCE) ở vùng nhiệt độ xung quanh nhiệt độ phòng trên hệ vật liệu, hệ vật liệu này mở ra khả năng ứng dụng trong thiết bị làm lạnh ở nhiệt độ phòng với công nghệ thân thiện với môi trường. Hiệu ứng từ nhiệt gần các trạng thái tới hạn của chuyển pha từ. Chuyển pha từ loại hai chỉ ra các đỉnh MCE sắc nét và hiệu ứng MCE nhỏ. Chuyển pha từ loại một chỉ ra các đỉnh MCE sắc nét và hiệu ứng MCE lớn.
2.1. Khó khăn trong việc tối ưu hóa hiệu ứng từ nhiệt
Một trong những thách thức lớn nhất trong nghiên cứu vật liệu từ nhiệt là tối ưu hóa hiệu ứng từ nhiệt (MCE) để đạt được hiệu suất làm lạnh cao. Các yếu tố như nhiệt độ Curie, từ trễ và sự phụ thuộc nhiệt độ của entropy từ đều ảnh hưởng đến hiệu quả của vật liệu. Việc tìm kiếm các vật liệu có MCE lớn, nhiệt độ Curie phù hợp và từ trễ thấp đòi hỏi các phương pháp tổng hợp và đặc trưng tiên tiến. Các nghiên cứu đang tập trung vào việc điều chỉnh thành phần, cấu trúc và quy trình xử lý nhiệt để cải thiện các tính chất từ nhiệt của vật liệu.
2.2. Tính độc hại của As và tìm kiếm vật liệu thay thế
Nhiều vật liệu từ nhiệt tiềm năng chứa các nguyên tố độc hại như Asen (As), gây lo ngại về môi trường và sức khỏe. Việc tìm kiếm các vật liệu thay thế không độc hại với hiệu suất tương đương hoặc tốt hơn là một ưu tiên hàng đầu. Các hợp kim Heusler, với thành phần có thể điều chỉnh và tiềm năng không độc hại, đang nổi lên như một giải pháp thay thế đầy hứa hẹn. Nghiên cứu sâu hơn về các hợp kim này có thể dẫn đến các vật liệu từ nhiệt an toàn và bền vững cho các ứng dụng làm lạnh.
III. Phương pháp nghiên cứu cấu trúc tinh thể hợp kim Heusler
Các nhà khoa học cũng phát hiện ra với đồng tồn tại chuyển pha cấu trúc và chuyển pha từ tại nhiệt độ 239K. Chuyển pha này là chuyển pha loại một với trễ nhiệt khoảng 7. Những vật liệu có hiệu ứng từ nhiệt này khá phổ biến, đây là những vật liệu khá tốt cho các ứng dụng nhưng thành phần Gd lại có giá thành rất cao.65) được tìm thấy với chuyển pha loại một và có trễ nhiệt khoảng 3. Hệ vật liệu 5 này có nhiều điểm phù hợp cho ứng dụng vào trong các thiết bị làm lạnh từ như: hiệu ứng MCE lớn, trễ nhiệt nhỏ, khoảng nhiệt độ điều khiển 168K 332K và giá thành của các thành phần Mn, Fe, P, As thấp, tuy nhiên As là nguyên tố có tính độc hại. Hiện nay, hầu hết các nghiên cứu về các ứng dụng của thiết bị làm lạnh từ đều tập trung vào các vật liệu có hiệu ứng từ nhiệt ở nhiệt độ phòng, các vật liệu có hiệu ứng từ nhiệt khổng lồ (giant MCE) cùng với chuyển pha cấu trúc (first- 0rder magneto-structural).
3.1. Kỹ thuật nhiễu xạ tia X XRD trong phân tích cấu trúc
Nhiễu xạ tia X (XRD) là một kỹ thuật mạnh mẽ được sử dụng để xác định cấu trúc tinh thể của vật liệu. Bằng cách phân tích mẫu nhiễu xạ tia X, có thể xác định các pha tinh thể, hằng số mạng và kích thước hạt của vật liệu. XRD là một công cụ thiết yếu trong nghiên cứu hợp kim Heusler, cho phép các nhà khoa học hiểu rõ hơn về mối quan hệ giữa cấu trúc và tính chất từ của vật liệu. Thông tin thu được từ XRD giúp tối ưu hóa thành phần và quy trình xử lý để đạt được các tính chất mong muốn.
3.2. Phân tích DSC để xác định chuyển pha nhiệt
Nhiệt lượng kế quét vi sai (DSC) là một kỹ thuật nhiệt phân tích được sử dụng để xác định các chuyển pha nhiệt trong vật liệu. DSC đo lượng nhiệt cần thiết để tăng hoặc giảm nhiệt độ của mẫu so với một mẫu tham chiếu. Các chuyển pha như chuyển pha từ, chuyển pha cấu trúc và chuyển pha martensitic có thể được xác định bằng DSC. Thông tin này rất quan trọng để hiểu hành vi nhiệt của hợp kim Heusler và tối ưu hóa hiệu suất làm lạnh từ của chúng.
IV. Nghiên cứu tính chất từ của hợp kim Heusler Ni50Mn38Sb12B3
Một số vật liệu: , La(FexSi1 − x)13C0(H), MnFeP1 − xAsx, , đã được nghiên cứu cho thấy có hiệu ứng từ nhiệt khổng lồ cùng với chuyển pha cấu trúc (F0MST). Bên cạnh đó, các hợp kim Heusler Ni-Mn-Sn và các hợp kim khác Ni-Mn-X (X=Ga, In, Sb) đang là những vật liệu có nhiều thu hút trong việc nghiên cứu về các vật liệu từ nhiệt có ứng dụng trong công nghệ làm lạnh, bởi những tính chất đặc biệt của các hợp kim này mang lại như : hiệu ứng nhớ hình, hiệu ứng từ nhiệt, từ điện trở và nhiều tính chất khác liên quan tới chuyển pha martensitic (MT). Những hợp kim này cũng là những đại diện tiêu biểu cho ứng dụng vào trong các thiết bị làm lạnh từ bởi chúng đều là những vật liệu có giá thành thấp và không độc hại.
4.1. Đo từ kế rung VSM để xác định từ tính
Máy đo từ kế rung (VSM) là một công cụ quan trọng để đo các tính chất từ của vật liệu. VSM đo mômen từ của mẫu bằng cách rung mẫu trong một từ trường và phát hiện tín hiệu điện từ được tạo ra. VSM có thể được sử dụng để xác định các thông số như độ từ hóa bão hòa, từ trễ, nhiệt độ Curie và các tính chất từ khác. Thông tin này rất quan trọng để hiểu hành vi từ của hợp kim Heusler và tối ưu hóa hiệu suất làm lạnh từ của chúng.
4.2. Ảnh hưởng của Boron đến tính chất từ của hợp kim
Việc thêm Boron (B) vào hợp kim Heusler có thể ảnh hưởng đáng kể đến các tính chất từ của vật liệu. Boron có thể thay đổi cấu trúc điện tử, hằng số mạng và tương tác từ trong hợp kim. Tùy thuộc vào nồng độ và vị trí của Boron trong cấu trúc, nó có thể làm tăng hoặc giảm nhiệt độ Curie, độ từ hóa bão hòa và từ trễ. Nghiên cứu sâu hơn về ảnh hưởng của Boron có thể dẫn đến việc phát triển các hợp kim Heusler với các tính chất từ được điều chỉnh cho các ứng dụng làm lạnh từ.
V. Ứng dụng thực tiễn và tương lai của hợp kim Heusler
Gần đây,trên cơ sở nghiên cứu về các vật liệu từ nhiệt và các hợp kim của chúng, người ta đã thấy rằng có thể điều khiển nhiệt độ hay tác động đến nhiệt độ chuyển pha của các vật liệu từ nhiệt theo hai cách chính sau : - Thay đổi nồng độ electron hóa trị trên một nguyên tử (tương ứng với tỷ số e/a) bằng các thay thế một phần các kim loại 3d khác như Cu, Cr, Co, Fe, Al,…hoặc Si vào các vị trí Mn-, Ni, hay vị trí X-. Trên cơ sở hai cách tác động trên, người ta đã tìm thấy hợp kim 6 có nhiệt độ và tăng khi nồng độ B thêm vào tăng, và hiệu ứng MCE rõ rệt ở hợp chất với x=1. 7 Với mục đích nghiên cứu về các vật liệu từ nhiệt có ứng dụng cao, có hiệu ứng từ nhiệt trong vùng nhiệt độ phòng và trên cở sở các kết quả nghiên cứu bước đầu về hệ Ni-Mn-Sb có thêm nguyên tố Boron của nhóm chúng tôi. Trong khóa luận này chúng tôi đề cập tới công nghệ chế tạo và đưa ra những nghiên cứu về cấu trúc tinh thể, tính chất từ và hiệu ứng từ nhiệt của hợp kim .
5.1. Tiềm năng thương mại hóa công nghệ làm lạnh từ
Công nghệ làm lạnh từ, dựa trên hiệu ứng từ nhiệt của các vật liệu như hợp kim Heusler, có tiềm năng thương mại hóa lớn. Các thiết bị làm lạnh từ có thể hiệu quả hơn, thân thiện với môi trường hơn và ít ồn hơn so với các hệ thống làm lạnh truyền thống. Các ứng dụng tiềm năng bao gồm tủ lạnh gia đình, điều hòa không khí, hệ thống làm mát công nghiệp và các ứng dụng y tế. Việc phát triển các vật liệu từ nhiệt hiệu quả và chi phí thấp là chìa khóa để thúc đẩy thương mại hóa công nghệ làm lạnh từ.
5.2. Hướng nghiên cứu phát triển vật liệu từ nhiệt mới
Nghiên cứu và phát triển các vật liệu từ nhiệt mới là một lĩnh vực đang phát triển nhanh chóng. Các nhà khoa học đang khám phá các hợp kim, vật liệu nano và vật liệu composite mới với các tính chất từ nhiệt được cải thiện. Các hướng nghiên cứu bao gồm việc điều chỉnh thành phần, cấu trúc, quy trình xử lý và việc sử dụng các kỹ thuật chế tạo tiên tiến. Mục tiêu là phát triển các vật liệu từ nhiệt có hiệu suất cao, chi phí thấp, không độc hại và phù hợp với nhiều ứng dụng khác nhau.
VI. Kết luận và hướng phát triển nghiên cứu hợp kim Heusler
Nội dung của luận văn gồm các phần sau: Mở đầu: chương 1: Tổng quan chương 2: Các phương pháp thực nghiệm chương 3: Kết quả và thảo luận 8 chương 1: TỔNG QUAN 1. Khái niệm về hiệu ứng từ nhiệt hiệu ứng từ nhiệt là một hiện tượng nhiệt động học từ tính, là sự thay đổi nhiệt độ (bị đốt nóng hay làm lạnh) của vật liệu từ trong quá trình từ hóa hoặc khử từ. hiệu ứng từ nhiệt thực chất là sự chuyển hóa năng lượng từ - nhiệt trong các vật liệu từ [37]. hiệu ứng từ nhiệt được Warburg phát hiện ra cách đây hơn 120 năm [37]. Trong quá trình từ hóa đoạn nhiệt, sự suy giảm entropy từ của hệ spin trong quá trình định hướng theo từ trường ngoài được cân bằng lại bằng sự gia tăng entropy của mạng tinh thể và do đó nhiệt độ của vật liệu tăng lên.
6.1. Tổng kết các kết quả nghiên cứu chính
Luận văn đã trình bày các kết quả nghiên cứu về cấu trúc tinh thể, tính chất từ và hiệu ứng từ nhiệt của hợp kim Heusler Ni50Mn38Sb12B3. Các kết quả này cung cấp thông tin quan trọng về tiềm năng ứng dụng của hợp kim này trong công nghệ làm lạnh từ. Các nghiên cứu sâu hơn về ảnh hưởng của thành phần, cấu trúc và quy trình xử lý có thể dẫn đến việc tối ưu hóa các tính chất từ nhiệt của hợp kim.
6.2. Đề xuất các hướng nghiên cứu tiếp theo
Các hướng nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc điều chỉnh thành phần và cấu trúc của hợp kim Heusler để cải thiện hiệu ứng từ nhiệt. Việc nghiên cứu ảnh hưởng của các nguyên tố pha tạp khác nhau, quy trình xử lý nhiệt và các kỹ thuật chế tạo tiên tiến có thể dẫn đến việc phát triển các vật liệu từ nhiệt hiệu quả hơn. Ngoài ra, việc nghiên cứu các ứng dụng cụ thể của hợp kim Heusler trong các thiết bị làm lạnh từ cũng là một hướng đi đầy hứa hẹn.
