I. Tổng Quan Hợp Kim Heusler Ni Mn Ga Al Vật Liệu Tiên Tiến
Hợp kim nhớ hình (SMA) là vật liệu có khả năng phục hồi hình dạng ban đầu dưới tác động của nhiệt độ hoặc từ trường. Hiện tượng này gọi là hiệu ứng nhớ hình (SME). Nguồn gốc của SME là sự chuyển pha cấu trúc tinh thể. SMA tồn tại ở hai pha: mactenxit (ổn định ở nhiệt độ thấp) và autenit (ổn định ở nhiệt độ cao). Các hợp kim Heusler Ni-Mn-(Ga, Al…) được quan tâm nghiên cứu vì chúng có nhiều hiệu ứng vật lý lý thú cho cả nghiên cứu cơ bản và ứng dụng: SME, hiệu ứng từ nhiệt (MCE), hiệu ứng áp-nhiệt, hiệu ứng siêu đàn hồi từ. Gần đây, hiệu ứng nhớ hình từ tính (MSME) trong hợp kim Heusler đã được tập trung nghiên cứu. Ưu điểm của các hợp kim này là SME của chúng được kích thích không chỉ bởi nhiệt độ mà còn bởi từ trường. Với kích thích từ trường, thời gian đáp ứng của SME rất nhanh và chính xác hơn so với trường hợp kích thích bằng nhiệt độ. Bên cạnh đó, thời gian sử dụng lâu hơn, khả năng tạo ra biến dạng và ứng suất cũng lớn hơn rất nhiều so với các vật liệu từ giảo hay áp điện. Do đó, chúng có lợi thế về ứng dụng như trong lĩnh vực cảm biến, điều khiển, truyền dẫn và chuyển đổi năng lượng.
1.1. Định Nghĩa và Cơ Chế Hiệu Ứng Nhớ Hình SME
Hiệu ứng nhớ hình (SME) là khả năng của vật liệu phục hồi hình dạng ban đầu khi chịu tác động của nhiệt độ hoặc từ trường. Cơ chế của SME liên quan đến sự chuyển pha cấu trúc tinh thể giữa pha mactenxit (nhiệt độ thấp) và pha autenit (nhiệt độ cao). Khi vật liệu bị biến dạng ở pha mactenxit, việc gia nhiệt sẽ kích hoạt chuyển pha sang autenit, khôi phục hình dạng ban đầu. Quá trình này có thể đảo ngược khi làm nguội, chuyển trở lại pha mactenxit. Theo [1-10], các hợp kim nhớ hình có thể tồn tại trong hai pha với cấu trúc tinh thể khác nhau, pha mactenxit hoặc pha autenit.
1.2. Ứng Dụng Tiềm Năng của Hợp Kim Nhớ Hình Heusler
Hợp kim nhớ hình Heusler, đặc biệt là Ni-Mn-Ga và Ni-Mn-Ga-Al, có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Chúng có thể được sử dụng trong các thiết bị y sinh như ống nong động mạch và neo xương, cũng như trong các ứng dụng công nghiệp như van tự động và cảm biến nhiệt. Khả năng kích thích SME bằng từ trường mở ra cơ hội cho các ứng dụng tiên tiến trong cảm biến, điều khiển, truyền dẫn và chuyển đổi năng lượng. Các SMA có khả năng ứng dụng nhiều trong các lĩnh vực y sinh, hàng không vũ trụ, vi điện tử, tự động hóa: chỉnh nha, neo xương, van tự động, cảm biến nhiệt, ống nano, rô bốt…
II. Vấn Đề Nghiên Cứu Tối Ưu Tính Chất Từ Hợp Kim Ni Mn Ga Al
Để đưa loại vật liệu này vào ứng dụng, người ta phải kiểm soát sự biến đổi pha cấu trúc và sự chuyển pha từ tính của chúng, có nghĩa là người ta phải tạo ra vật liệu có nhiệt độ và biên độ chuyển pha như mong muốn. MSME của hợp kim Ni-Mn-Ga được khám phá ra lần đầu tiên bởi Ullakko cùng cộng sự. Độ biến dạng lớn hơn 10% đã thu được do sự tác động từ trường bên ngoài. Kể từ đó, nhiều nghiên cứu về tính chất từ, SME và hiệu ứng từ nhiệt (MCE) của hợp kim Ni-Mn-Ga với các thành phần khác nhau đã được thực hiện. Hầu hết các hợp kim Heusler Ni-Mn-Ga có hai quá trình chuyển pha, chuyển pha bậc một (FOPT) và chuyển pha bậc hai (SOPT).
2.1. Ảnh Hưởng của Thành Phần Hóa Học Đến Chuyển Pha Martensite
Nhiệt độ chuyển pha mactenxit-autenit giảm khi tăng nồng độ Ga. Chuyển pha mactenxit-autenit của hợp kim Ni50+xMn27-xGa23 đã được quan sát trong vùng giàu Mn. TM-A của các hợp kim này tăng lên khi số điện tử hóa trị trên m i nguyên tử e/a tăng lên. Việc thêm Co vào hợp kim Ni-Mn-Ga đã tạo ra những thay đổi quan trọng trong cấu trúc và tính chất từ của hợp kim. Co tăng cường tương tác sắt từ trong pha autenit trong khi làm suy yếu tính sắt từ trong pha mactenxit dẫn đến tăng chuyển đổi M-A trong hợp kim.
2.2. Thách Thức Trong Chế Tạo Hợp Kim Heusler Dạng Khối
Các hợp kim khối yêu cầu một chế độ xử lý nhiệt phức tạp, thời gian ủ dài (lên đến vài ngày). Bằng cách sử dụng phương pháp phun băng nguội nhanh để chế tạo các hợp kim này, sự hình thành pha và các tính chất từ của hợp kim có thể được cải thiện đáng kể. Các nghiên cứu trước đây thường tập trung nhiều vào hợp kim Heusler Ni-Mn-Ga dạng khối. Các hợp kim khối yêu cầu một chế độ xử lý nhiệt phức tạp, thời gian ủ dài (lên đến vài ngày).
III. Phương Pháp Chế Tạo Phun Băng Nguội Nhanh Hợp Kim Ni Mn Ga
Bằng cách sử dụng phương pháp phun băng nguội nhanh để chế tạo các hợp kim này, sự hình thành pha và các tính chất từ của hợp kim có thể được cải thiện đáng kể. Từ những lý do trên chúng tôi đã chọn đề tài nghiên cứu của luận văn là: “Nghiên cứu cấu trúc và tính chất từ của các hợp kim Heusler Ni-Mn-(Ga, Al…)”. Mục đích nghiên cứu là nghiên cứu ảnh hưởng của hợp phần lên cấu trúc và tính chất từ của các hợp kim Heusler Ni-Mn-(Ga, Al). Tìm ra hợp kim có từ tính tốt và có khả năng ứng dụng cao.
3.1. Ưu Điểm của Kỹ Thuật Phun Băng Nguội Nhanh
Kỹ thuật phun băng nguội nhanh mang lại nhiều ưu điểm so với phương pháp chế tạo hợp kim khối truyền thống. Quá trình làm nguội nhanh giúp ngăn chặn sự hình thành các pha không mong muốn và tạo ra cấu trúc vi mô đồng nhất hơn. Điều này có thể cải thiện đáng kể các tính chất từ và cơ học của hợp kim. Bằng cách sử dụng phương pháp phun băng nguội nhanh để chế tạo các hợp kim này, sự hình thành pha và các tính chất từ của hợp kim có thể được cải thiện đáng kể.
3.2. Quy Trình Chế Tạo Mẫu Băng Hợp Kim Ni Mn Ga Al
Quy trình chế tạo mẫu băng hợp kim Ni-Mn-Ga-Al bằng phương pháp phun băng nguội nhanh bao gồm các bước sau: (1) Tạo hợp kim ban đầu bằng phương pháp nấu hồ quang. (2) Phun hợp kim nóng chảy lên một bề mặt làm lạnh nhanh, tạo thành băng mỏng. (3) Thu thập và xử lý các băng hợp kim để chuẩn bị cho các phép đo khảo sát cấu trúc và tính chất. Luận văn được tiến hành bằng phương pháp thực nghiệm: - Tạo mẫu khối bằng phương pháp nấu hồ quang. - Tạo mẫu băng bằng phương pháp phun băng nguội nhanh.
IV. Phân Tích Cấu Trúc XRD và SEM Hợp Kim Heusler Ni Mn Ga Al
Luận văn được tiến hành bằng phương pháp thực nghiệm: - Tạo mẫu khối bằng phương pháp nấu hồ quang. - Tạo mẫu băng bằng phương pháp phun băng nguội nhanh. - Xác định cấu trúc của mẫu bằng phương pháp phân t ch nhiễu xạ tia X. - Khảo sát t nh chất từ và hiệu ứng từ nhiệt của mẫu trên hệ từ kế mẫu rung. Cấu trúc luận văn Ngoài phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo, luận văn bao gồm 3 chương, cụ thể như sau: - Chương 1: Tổng quan về hợp kim nhớ hình Heusler nền Ni-Mn - Chương 2: Kỹ thuật thực nghiệm - Chương 3: Kết quả và thảo luận
4.1. Phân Tích XRD Xác Định Cấu Trúc Tinh Thể
Phân tích nhiễu xạ tia X (XRD) là một phương pháp quan trọng để xác định cấu trúc tinh thể của hợp kim Heusler Ni-Mn-Ga-Al. Dữ liệu XRD có thể cung cấp thông tin về các pha tinh thể có mặt trong mẫu, hằng số mạng và mức độ trật tự tinh thể. Các đỉnh nhiễu xạ đặc trưng cho cấu trúc L21 của hợp kim Heusler có thể được xác định và phân tích để đánh giá chất lượng của mẫu. - Xác định cấu trúc của mẫu bằng phương pháp phân t ch nhiễu xạ tia X.
4.2. Phân Tích SEM Nghiên Cứu Hình Thái Bề Mặt và Vi Cấu Trúc
Kính hiển vi điện tử quét (SEM) được sử dụng để nghiên cứu hình thái bề mặt và vi cấu trúc của các băng hợp kim Ni-Mn-Ga-Al. Ảnh SEM có thể cho thấy kích thước hạt, sự phân bố pha và các khuyết tật cấu trúc. Phân tích SEM kết hợp với phân tích phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX) có thể cung cấp thông tin về thành phần hóa học của các pha khác nhau trong mẫu. - Khảo sát t nh chất từ và hiệu ứng từ nhiệt của mẫu trên hệ từ kế mẫu rung.
V. Đo Đạc Tính Chất Từ SQUID và VSM Hợp Kim Ni Mn Ga Al
Mối liên hệ giữa cấu trúc với chuyển pha từ trong các vật liệu đang là một đối tượng lý thú cho nghiên cứu cơ bản. Vì vậy, đề tài là cấp thiết và có ý nghĩa khoa học cao. Các hợp kim Heusler Ni-Mn-(Ga, Al…) được quan tâm nghiên cứu vì chúng có nhiều hiệu ứng vật lý lý thú cho cả nghiên cứu cơ bản và ứng dụng: hiệu ứng nhớ hình (Shape Memory Effect - SME), hiệu ứng từ nhiệt (Magnetocaloric Effect - MCE), hiệu ứng áp-nhiệt (Barocaloric Effect), hiệu ứng siêu đàn hồi từ (Magnetic Superelastic Effect)…
5.1. Đo Từ Kế SQUID Khảo Sát Độ Nhạy Từ Tính Cao
Từ kế SQUID (Superconducting Quantum Interference Device) là một công cụ mạnh mẽ để đo các tính chất từ của vật liệu với độ nhạy cao. SQUID có thể được sử dụng để đo từ độ, độ cảm từ và các đường cong từ trễ của hợp kim Ni-Mn-Ga-Al trong một phạm vi nhiệt độ rộng. Dữ liệu SQUID có thể cung cấp thông tin về nhiệt độ Curie, từ độ bão hòa và lực kháng từ của mẫu.
5.2. Đo Từ Kế Mẫu Rung VSM Nghiên Cứu Từ Trễ và Từ Hóa
Từ kế mẫu rung (VSM) là một phương pháp phổ biến để đo các tính chất từ của vật liệu. VSM có thể được sử dụng để đo các đường cong từ trễ và sự phụ thuộc của từ độ vào từ trường của hợp kim Ni-Mn-Ga-Al. Dữ liệu VSM có thể cung cấp thông tin về từ độ bão hòa, lực kháng từ và tính dị hướng từ của mẫu.
VI. Kết Luận Tiềm Năng Ứng Dụng Hợp Kim Heusler Ni Mn Ga Al
Mục đích nghiên cứu - Nghiên cứu ảnh hưởng của hợp phần lên cấu trúc và tính chất từ của các hợp kim Heusler Ni-Mn-(Ga, Al. - Tìm ra hợp kim có từ tính tốt và có khả năng ứng dụng cao. Nội dung nghiên cứu - Chế tạo các băng hợp kim nguội nhanh Heusler Ni-Mn-(Ga, Al. - Khảo sát cấu trúc, tính chất từ của các băng hợp kim đã chế tạo được.
6.1. Tổng Kết Kết Quả Nghiên Cứu Cấu Trúc và Tính Chất Từ
Nghiên cứu này đã khảo sát cấu trúc và tính chất từ của hợp kim Heusler Ni-Mn-Ga-Al bằng các phương pháp chế tạo và phân tích khác nhau. Kết quả cho thấy rằng thành phần hóa học và phương pháp chế tạo có ảnh hưởng đáng kể đến cấu trúc tinh thể và các tính chất từ của hợp kim. Các kết quả này có thể được sử dụng để tối ưu hóa thành phần và quy trình chế tạo để đạt được các tính chất mong muốn cho các ứng dụng cụ thể.
6.2. Hướng Nghiên Cứu Tiếp Theo và Ứng Dụng Thực Tế
Các hướng nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc tối ưu hóa thành phần hóa học và quy trình chế tạo để cải thiện các tính chất từ và cơ học của hợp kim Ni-Mn-Ga-Al. Nghiên cứu cũng có thể tập trung vào việc phát triển các ứng dụng cụ thể cho các hợp kim này, chẳng hạn như trong các thiết bị cảm biến, actuator và vật liệu từ nhiệt. Các ứng dụng tiềm năng bao gồm cảm biến từ trường, actuator vi mô và hệ thống làm lạnh từ tính.
