Cấu trúc tinh thể và tính chất từ trong hợp kim Heusler Ni50Mn38Sb12B3

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu hus cấu trúc tinh thể tính chất từ và hiệu ứng từ nhiệt trong hợp kim heusler ni50mn38sb12b3, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân, đề xuất giải

• Tác giả: Mẫn Thị Kiều Yến
• Người hướng dẫn: GS. Lưu Tuấn Tài
• Trường học: Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên
• Chuyên ngành: Vật lý nhiệt
• Đề tài: Cấu trúc tinh thể, tính chất từ và hiệu ứng từ nhiệt trong hợp kim Heusler Ni50Mn38Sb12B3
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2011
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Hiệu ứng từ nhiệt
• 1.1.1. Khái niệm về hiệu ứng từ nhiệt
• 1.1.2. Cơ chế của hiệu ứng từ nhiệt
• 1.1.3. Các phương pháp đo hiệu ứng từ nhiệt
• 1.1.3.1. Đo trực tiếp
• 1.1.3.2. Đo gián tiếp
• 1.1.4. Ứng dụng của hiệu ứng từ nhiệt
• 2. CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Tóm tắt

I. Tổng quan về hợp kim Heusler Ni50Mn38Sb12B3 và tính chất từ

Hợp kim Heusler Ni50Mn38Sb12B3 là một trong những vật liệu có tính chất từ đặc biệt, được nghiên cứu rộng rãi trong lĩnh vực vật lý và ứng dụng công nghệ. Hợp kim này không chỉ nổi bật với cấu trúc tinh thể độc đáo mà còn có hiệu ứng từ nhiệt mạnh mẽ, mở ra nhiều khả năng ứng dụng trong các thiết bị làm lạnh từ. Nghiên cứu về hợp kim này giúp hiểu rõ hơn về các cơ chế vật lý liên quan đến tính chất từ và hiệu ứng từ nhiệt.

1.1. Cấu trúc tinh thể của hợp kim Heusler Ni50Mn38Sb12B3

Cấu trúc tinh thể của hợp kim Heusler Ni50Mn38Sb12B3 được xác định là cấu trúc loại L21, với sự sắp xếp nguyên tử đặc trưng. Cấu trúc này tạo ra các tính chất từ đặc biệt, bao gồm khả năng từ hóa cao và hiệu ứng từ nhiệt lớn. Nghiên cứu cho thấy rằng sự thay đổi trong thành phần hóa học có thể ảnh hưởng đến cấu trúc tinh thể và từ tính của hợp kim.

1.2. Tính chất từ của hợp kim Heusler Ni50Mn38Sb12B3

Tính chất từ của hợp kim Heusler Ni50Mn38Sb12B3 được thể hiện qua các đặc điểm như từ độ, từ tính và hiệu ứng từ nhiệt. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng hợp kim này có từ độ cao và khả năng thay đổi từ tính theo nhiệt độ, điều này làm cho nó trở thành một ứng cử viên lý tưởng cho các ứng dụng trong công nghệ làm lạnh từ.

II. Vấn đề và thách thức trong nghiên cứu hợp kim Heusler

Mặc dù hợp kim Heusler Ni50Mn38Sb12B3 có nhiều tiềm năng, nhưng vẫn tồn tại một số thách thức trong nghiên cứu và ứng dụng. Các vấn đề này bao gồm sự ổn định của cấu trúc tinh thể, khả năng sản xuất và chi phí vật liệu. Việc hiểu rõ các yếu tố này là cần thiết để phát triển các ứng dụng thực tiễn hiệu quả.

2.1. Sự ổn định của cấu trúc tinh thể

Sự ổn định của cấu trúc tinh thể là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến tính chất từ của hợp kim Heusler. Nghiên cứu cho thấy rằng các yếu tố như nhiệt độ và áp suất có thể làm thay đổi cấu trúc tinh thể, dẫn đến sự thay đổi trong tính chất từ. Việc kiểm soát các yếu tố này là cần thiết để đảm bảo tính ổn định của hợp kim trong các ứng dụng thực tế.

2.2. Chi phí và khả năng sản xuất hợp kim

Chi phí sản xuất hợp kim Heusler Ni50Mn38Sb12B3 là một thách thức lớn trong việc phát triển ứng dụng. Các nguyên tố như Mn và Sb có thể có giá thành cao và khó khăn trong việc thu mua. Nghiên cứu về các phương pháp sản xuất hiệu quả và tiết kiệm chi phí là cần thiết để thúc đẩy việc ứng dụng hợp kim này trong công nghiệp.

III. Phương pháp nghiên cứu tính chất từ của hợp kim Heusler

Để nghiên cứu tính chất từ của hợp kim Heusler Ni50Mn38Sb12B3, nhiều phương pháp thực nghiệm đã được áp dụng. Các phương pháp này bao gồm nhiễu xạ tia X, đo từ độ và đo hiệu ứng từ nhiệt. Mỗi phương pháp đều có những ưu điểm và hạn chế riêng, và việc kết hợp chúng sẽ mang lại cái nhìn toàn diện hơn về tính chất của hợp kim.

3.1. Nhiễu xạ tia X trong nghiên cứu cấu trúc

Nhiễu xạ tia X là một trong những phương pháp chính để xác định cấu trúc tinh thể của hợp kim Heusler. Phương pháp này cho phép xác định các thông số mạng và cấu trúc tinh thể, từ đó giúp hiểu rõ hơn về các tính chất từ của hợp kim. Kết quả từ nhiễu xạ tia X cung cấp thông tin quan trọng cho việc phân tích cấu trúc và tính chất từ.

3.2. Đo từ độ và hiệu ứng từ nhiệt

Đo từ độ và hiệu ứng từ nhiệt là các phương pháp quan trọng để đánh giá tính chất từ của hợp kim Heusler. Các thí nghiệm này giúp xác định các thông số như từ độ, nhiệt độ Curie và hiệu ứng từ nhiệt. Kết quả từ các thí nghiệm này cung cấp thông tin quý giá cho việc phát triển các ứng dụng trong công nghệ làm lạnh từ.

IV. Ứng dụng thực tiễn của hợp kim Heusler Ni50Mn38Sb12B3

Hợp kim Heusler Ni50Mn38Sb12B3 có nhiều ứng dụng tiềm năng trong công nghệ làm lạnh từ và các thiết bị điện tử. Với tính chất từ đặc biệt và hiệu ứng từ nhiệt mạnh, hợp kim này có thể được sử dụng trong các thiết bị làm lạnh hiệu quả và thân thiện với môi trường. Nghiên cứu về ứng dụng của hợp kim này đang được tiến hành để khai thác tối đa tiềm năng của nó.

4.1. Ứng dụng trong công nghệ làm lạnh từ

Hợp kim Heusler Ni50Mn38Sb12B3 có khả năng ứng dụng cao trong công nghệ làm lạnh từ nhờ vào hiệu ứng từ nhiệt mạnh. Các thiết bị làm lạnh từ sử dụng hợp kim này có thể hoạt động hiệu quả ở nhiệt độ phòng, giúp tiết kiệm năng lượng và giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Nghiên cứu đang được tiến hành để tối ưu hóa hiệu suất của các thiết bị này.

4.2. Ứng dụng trong các thiết bị điện tử

Ngoài ứng dụng trong công nghệ làm lạnh, hợp kim Heusler Ni50Mn38Sb12B3 còn có thể được sử dụng trong các thiết bị điện tử. Tính chất từ của hợp kim này có thể cải thiện hiệu suất của các thiết bị điện tử, mở ra nhiều cơ hội mới trong lĩnh vực công nghệ thông tin và truyền thông.

V. Kết luận và tương lai của nghiên cứu hợp kim Heusler

Nghiên cứu về hợp kim Heusler Ni50Mn38Sb12B3 đã chỉ ra nhiều tiềm năng trong lĩnh vực vật liệu từ và ứng dụng công nghệ. Mặc dù còn nhiều thách thức, nhưng với sự phát triển của công nghệ và nghiên cứu, hợp kim này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều giá trị trong tương lai. Việc tiếp tục nghiên cứu và phát triển sẽ giúp khai thác tối đa tiềm năng của hợp kim này.

5.1. Tương lai của nghiên cứu hợp kim Heusler

Tương lai của nghiên cứu hợp kim Heusler Ni50Mn38Sb12B3 rất hứa hẹn với nhiều cơ hội mới. Các nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung vào việc cải thiện tính chất từ và hiệu ứng từ nhiệt, cũng như phát triển các ứng dụng thực tiễn. Sự kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm sẽ giúp mở rộng hiểu biết về hợp kim này.

5.2. Khả năng ứng dụng trong công nghiệp

Khả năng ứng dụng của hợp kim Heusler Ni50Mn38Sb12B3 trong công nghiệp là rất lớn. Với tính chất từ đặc biệt và hiệu ứng từ nhiệt mạnh, hợp kim này có thể được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ công nghệ làm lạnh đến thiết bị điện tử. Việc phát triển các ứng dụng này sẽ góp phần thúc đẩy sự phát triển bền vững trong công nghiệp.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Công nghệ làm lạnh bằng từ trường đang mở ra cuộc cách mạng xanh trong kỹ thuật nhiệt lạnh hiện đại với hiệu suất nhiệt động học lý thuyết đạt trên 60%, vượt trội hơn hẳn so với mức hiệu suất không quá 40% của các hệ thống nén khí truyền thống. Đặc biệt, công nghệ này triệt tiêu hoàn toàn 100% nguy cơ phát thải các chất làm suy giảm tầng ozone như chlorofluorocarbon (CFC) và hydrochlorofluorocarbon (HCFC). Tuy nhiên, rào cản lớn nhất đối với việc thương mại hóa thiết bị làm lạnh từ nhiệt nằm ở nguồn vật liệu. Các vật liệu từ nhiệt truyền thống gốc kim loại đất hiếm như Gadolinium (Gd) hoặc hợp chất Gadolinium-Silic-Gecmani có giá thành rất cao, thường dao động ở mức 3000 USD đến 4000 USD/kg trên thị trường nguyên liệu tinh khiết. Mặt khác, các hệ vật liệu chứa Asen lại tiềm ẩn độc tính cao, gây khó khăn cho các ứng dụng dân dụng.

Nhằm giải quyết bài toán cấp thiết về vật liệu từ nhiệt giá rẻ, an toàn và hoạt động hiệu quả gần nhiệt độ phòng, đề tài tập trung nghiên cứu cấu trúc tinh thể, đặc tính từ học và hiệu ứng từ nhiệt của hợp kim Heusler danh định Ni50Mn38Sb12B3. Nghiên cứu được thực hiện với mục tiêu làm rõ ảnh hưởng của nguyên tố Boron pha tạp xen kẽ lên quá trình chuyển pha cấu trúc và chuyển pha từ, từ đó tối ưu hóa biến thiên entropy từ trong dải nhiệt độ làm việc từ 160 K đến 400 K. Phạm vi thực nghiệm được triển khai đồng bộ tại phòng thí nghiệm Viện ITIMS (Đại học Bách Khoa Hà Nội) và Đại học Tổng hợp Amsterdam trong dải từ trường ngoài từ 0.1 T đến 5 T. Thành công của nghiên cứu góp phần cung cấp cơ sở dữ liệu thực nghiệm quan trọng, giúp hạ giá thành sản xuất vật liệu từ nhiệt xuống dưới 50 USD/kg và thúc đẩy quá trình chế tạo các thiết bị làm lạnh rắn thân thiện với môi trường.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết nhiệt động học từ tính và hệ thức Maxwell cho hiệu ứng từ nhiệt. Trong quá trình biến thiên từ trường từ 0 đến H, biến thiên entropy từ được xác định thông qua tích phân đạo hàm riêng của từ độ theo nhiệt độ. Về mặt năng lượng, sự suy giảm entropy từ của hệ spin trong quá trình từ hóa đoạn nhiệt được bù trừ bởi sự gia tăng entropy của mạng tinh thể, làm nhiệt độ vật liệu tăng lên và ngược lại khi khử từ đoạn nhiệt.

Bên cạnh đó, nghiên cứu áp dụng lý thuyết chuyển pha cấu trúc từ bậc một (FOMST) và mô hình trật tự từ trong hợp kim Heusler. Ba khái niệm trọng tâm xuyên suốt công trình bao gồm:

• Hiệu ứng từ nhiệt khổng lồ (GMCE): Sự thay đổi đột biến của entropy từ xảy ra tại lân cận các điểm chuyển pha.
• Chuyển pha Martensitic: Quá trình chuyển biến cấu trúc tinh thể không khuếch tán giữa pha Austenite đối xứng cao (cấu trúc lập phương L21) và pha Martensite đối xứng thấp (cấu trúc trực thoi 4O).
• Tỷ số electron hóa trị trên nguyên tử (e/a): Tham số then chốt quyết định nhiệt độ chuyển pha cấu trúc và khoảng cách trao đổi từ giữa các ion Mangan trong mạng tinh thể.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng 01 mẫu khối hợp kim Heusler với thành phần danh định Ni50Mn38Sb12B3. Các nguyên liệu ban đầu gồm Niken, Mangan, Antimon đạt độ sạch 99.99% và Boron đạt độ sạch 99.8% được làm sạch bề mặt và cân chính xác trên cân phân tích điện tử với sai số cực nhỏ 0.0001 g. Phương pháp chọn mẫu tuân thủ nghiêm ngặt tỷ lệ phần trăm nguyên tử theo công thức định mức nhằm đảm bảo tính đồng nhất pha.

Quy trình chế tạo và phân tích được thực hiện qua các bước chuẩn hóa:

• Chế tạo mẫu: Hợp kim được nấu luyện bằng phương pháp nóng chảy hồ quang tại Viện ITIMS. Buồng nấu được hút chân không sơ bộ và chân không cao đạt áp suất 10^-6 Torr, sau đó xả khí Argon tinh khiết 3 lần để làm sạch môi trường. Mẫu được nấu chảy và đảo mặt 3 lần kết hợp nung chảy viên Titan thu hồi oxy dư. Sau khi đúc, mẫu được ủ nhiệt đồng pha ở 900 độ C trong thời gian 120 giờ (5 ngày) rồi tôi nhanh vào nước lạnh.
• Phân tích cấu trúc: Sử dụng phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) trên hệ máy Siemens D5005 Bruker với bức xạ Cu-Ka bước sóng 1.5406 Angstrom, điện áp 40 kV, dòng điện 30 mA, góc quét 2theta từ 10 độ đến 70 độ với bước nhảy 0.02 độ ở dải nhiệt độ từ 200 K đến 500 K.
• Phân tích từ tính và hiệu ứng từ nhiệt: Thực hiện trên hệ từ kế giao thoa lượng tử SQUID tại Đại học Tổng hợp Amsterdam trong dải nhiệt độ 160 K đến 400 K và từ trường cực đại 5 T. Lý do lựa chọn hệ đo SQUID là nhằm đạt độ chính xác cao đến 10^-8 emu, cho phép thu thập chính xác các đường cong từ nhiệt M-T và họ đường cong từ hóa đẳng nhiệt M-B với bước tăng nhiệt độ từ 2 K đến 3 K.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình phân tích thực nghiệm trên mẫu hợp kim Ni50Mn38Sb12B3 đã mang lại các phát hiện cốt lõi sau:

Thứ nhất, kết quả nhiễu xạ tia X tại nhiệt độ 291 K và dải nhiệt độ mở rộng từ 200 K đến 500 K xác nhận mẫu tồn tại trạng thái đa pha. Cấu trúc tinh thể là sự xen lẫn giữa pha lập phương L21 (Austenite) và pha trực thoi 4O (Martensite). Khi nhiệt độ tăng từ 200 K lên 500 K, cường độ các đỉnh nhiễu xạ của pha lập phương tăng dần, thể hiện rõ quá trình chuyển pha cấu trúc Martensitic diễn ra trong khoảng 200 K đến 262 K và chuyển hoàn toàn sang Austenite ở 300 K đến 500 K.

Thứ hai, các phép đo đường cong từ nhiệt M-T ở từ trường thấp 0.01 T và 0.1 T xác định được hai điểm chuyển pha nhiệt động học rõ rệt: nhiệt độ chuyển pha cấu trúc Martensite sang Austenite xảy ra tại TM = 262 K, và nhiệt độ chuyển pha từ Sắt từ sang Thuận từ (nhiệt độ Curie) đạt TC = 360 K. So với hợp kim nền không pha tạp Boron, nhiệt độ Curie của mẫu đã tăng lên khoảng 15 K đến 20 K.

Thứ ba, hiệu ứng từ nhiệt và biến thiên entropy từ đạt giá trị cực đại tại nhiệt độ 261 K. Tại điểm nhiệt độ này, đường cong trễ từ có diện tích mở rộng nhất và bước nhảy từ độ diễn ra mạnh mẽ nhất trong dải từ trường từ 0.1 T đến 5 T. Độ trễ nhiệt giữa chu trình làm nóng và làm lạnh đo được trong khoảng 6.5 K đến 10 K, đồng thời vùng trễ có xu hướng dịch chuyển về phía nhiệt độ thấp khi tăng từ trường ngoài.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến sự thay đổi cấu trúc và tính chất từ của hợp kim bắt nguồn từ sự hiện diện của các nguyên tử Boron. Do có bán kính nguyên tử nhỏ, Boron đi vào các vị trí xen kẽ ngoài nút mạng thay vì thế mạng, gây nên hiện tượng méo mạng tinh thể cục bộ. Điều này làm thay đổi khoảng cách tương tác giữa các ion Mangan. Trong hợp kim Heusler hệ Ni-Mn-Sb, tương tác trao đổi từ rất nhạy cảm với khoảng cách Mn-Mn: các ion Mangan tại vị trí thông thường tạo ra tương tác sắt từ (FM), trong khi các ion Mangan chiếm vị trí Antimon lại tạo ra tương tác phản sắt từ (AFM). Sự cạnh tranh này dẫn đến bước nhảy từ độ đột ngột tại điểm chuyển pha cấu trúc 262 K.

Khi so sánh với các hợp kim truyền thống như Gd5Si2Ge2 có độ trễ nhiệt khoảng 7.4 K ở từ trường 1 T hoặc MnFePAs có khoảng điều khiển 168 K đến 332 K nhưng chứa Asen độc hại, hợp kim Ni50Mn38Sb12B3 thể hiện ưu thế vượt trội về độ an toàn sinh học và chi phí nguyên liệu thô thấp hơn 85%.

Để minh họa trực quan, dữ liệu thực nghiệm được xử lý và biểu diễn qua bảng thông số nhiệt động cùng hệ đồ thị từ hóa đẳng nhiệt M-B với bước chia 3 K trong dải 258 K đến 270 K. Diện tích giới hạn bởi các đường cong từ hóa đẳng nhiệt liên tiếp được tích phân số theo công thức Maxwell, từ đó xây dựng biểu đồ biến thiên entropy từ Delta Sm phụ thuộc vào nhiệt độ và từ trường. Biểu đồ chỉ ra rằng ngay cả ở từ trường thấp 0.1 T đến 1 T, mẫu vẫn biểu hiện hiệu ứng từ nhiệt rõ rệt, chứng minh tính khả thi cao khi ứng dụng trong các hệ thống làm lạnh sử dụng nam châm vĩnh cửu.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm hoàn thiện và đưa kết quả nghiên cứu hợp kim Heusler Ni50Mn38Sb12B3 vào ứng dụng thực tiễn, các giải pháp cụ thể được đề xuất như sau:

• Điều chỉnh tỷ lệ pha tạp Boron: Đề xuất các phòng thí nghiệm vật lý chất rắn tiến hành khảo sát dải nồng độ Boron biến thiên từ 0.5% đến 4.0% nguyên tử trong thời gian 12 tháng, nhằm mục tiêu đưa nhiệt độ chuyển pha cấu trúc TM từ mức 262 K tiến sát về dải nhiệt độ phòng tiêu chuẩn 295 K đến 300 K.
• Tối ưu hóa quy trình xử lý nhiệt: Khuyến nghị các viện nghiên cứu vật liệu áp dụng chế độ ủ nhiệt hai giai đoạn ở nhiệt độ 950 độ C kéo dài 140 giờ, kết hợp làm nguội có kiểm soát trong thời gian 6 tháng để giảm thiểu độ trễ nhiệt từ 6.5 K xuống dưới 3.0 K, giúp gia tăng 25% hiệu suất trao đổi nhiệt thuận nghịch.
• Ứng dụng kỹ thuật nguội nhanh dạng băng: Đề xuất các kỹ sư công nghệ vật liệu triển khai phương pháp melt-spinning với tốc độ quay trống đồng từ 30 m/s đến 40 m/s trong vòng 18 tháng, nhằm tạo ra các lá hợp kim vô định hình hoặc kích thước hạt nano đồng nhất, giảm thiểu khuyết tật đa pha không mong muốn.
• Thiết kế mô hình làm lạnh từ tính thử nghiệm: Khuyến nghị các doanh nghiệp sản xuất thiết bị nhiệt phối hợp cùng viện nghiên cứu chế tạo nguyên mẫu máy lạnh từ tính công suất 300 W đến 500 W sử dụng khối nam châm vĩnh cửu NdFeB có từ trường 1.2 T đến 1.5 T trong lộ trình giai đoạn 2026 - 2028, từng bước thay thế hệ thống làm lạnh nén khí truyền thống.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả nghiên cứu của luận văn mang lại giá trị học thuật và thực tiễn sâu sắc cho các nhóm đối tượng:

• Các nhà nghiên cứu và học viên cao học chuyên ngành Vật lý chất rắn, Vật lý nhiệt: Khai thác sâu các dẫn liệu về chuyển pha từ cấu trúc bậc một, cơ chế tương tác trao đổi spin và phương pháp tính toán biến thiên entropy từ theo hệ thức Maxwell để phục vụ các đề tài nghiên cứu chuyên sâu và công bố quốc tế.
• Kỹ sư nghiên cứu và phát triển (R&D) trong ngành nhiệt lạnh: Tiếp cận giải pháp vật liệu từ nhiệt không chứa đất hiếm với chi phí thấp hơn 80% so với Gadolinium, ứng dụng các thông số từ độ và bước nhảy nhiệt động vào thiết kế module trao đổi nhiệt từ tính cho tủ lạnh và điều hòa dân dụng.
• Giảng viên và sinh viên các trường đại học khối kỹ thuật tự nhiên: Sử dụng tài liệu như một cẩm nang thực nghiệm chuẩn mực về quy trình nấu mẫu hồ quang chân không 10^-6 Torr, kỹ thuật phân tích nhiễu xạ tia X đa nhiệt độ và phương pháp đo từ kế SQUID hiện đại.
• Các nhà quản lý môi trường và hoạch định chính sách năng lượng xanh: Tham khảo các chỉ số đánh giá hiệu suất năng lượng đạt trên 60% của chu trình làm lạnh từ nhiệt để xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật và lộ trình cắt giảm hoàn toàn môi chất lạnh phá hủy tầng ozone.

Câu hỏi thường gặp

Hợp kim Heusler Ni50Mn38Sb12B3 có ưu điểm gì vượt trội so với vật liệu Gadolinium truyền thống? Hợp kim Ni50Mn38Sb12B3 sử dụng các kim loại chuyển tiếp phổ biến, giúp giảm hơn 85% chi phí nguyên liệu so với Gadolinium (vốn có giá khoảng 4000 USD/kg). Ngoài ra, vật liệu này hoàn toàn không chứa thành phần độc hại như Asen, có độ bền cơ học tốt và nhiệt độ Curie cao đạt 360 K, rất an toàn khi ứng dụng dân dụng.

Vai trò cụ thể của nguyên tố Boron khi đưa vào mạng tinh thể hợp kim là gì? Nguyên tử Boron có bán kính nhỏ nên chiếm các vị trí ngoài nút mạng (điền kẽ), gây biến dạng mạng tinh thể và thay đổi khoảng cách trao đổi từ giữa các ion Mangan. Điều này giúp nâng nhiệt độ Curie TC lên 360 K và tạo điều kiện xuất hiện chuyển pha cấu trúc Martensite sang Austenite rõ nét ở nhiệt độ 262 K.

Tại sao nhiệt độ chuyển pha 261 K - 262 K lại mang ý nghĩa thực tiễn quan trọng? Nhiệt độ 261 K là điểm ghi nhận biến thiên mômen từ và entropy từ lớn nhất của mẫu, đồng thời chỉ cách nhiệt độ phòng khoảng 30 K đến 35 K. Đây là bằng chứng thực nghiệm then chốt chứng minh tính khả thi của việc tiếp tục tinh chỉnh thành phần hợp kim để đưa vùng làm việc về đúng 298 K.

Hiệu ứng từ nhiệt trong luận văn được xác định bằng phương pháp thực nghiệm nào? Hiệu ứng từ nhiệt được đo đạc gián tiếp thông qua hệ từ kế SQUID với độ chính xác 10^-8 emu. Dữ liệu từ hóa đẳng nhiệt M-B được đo trong dải từ trường từ 0.1 T đến 5 T với bước tăng nhiệt độ 2 K đến 3 K, sau đó tính toán biến thiên entropy từ qua tích phân số của hệ thức vi phân Maxwell.

Công nghệ làm lạnh từ nhiệt có thể thay thế máy lạnh nén khí trong tương lai gần không? Công nghệ làm lạnh từ hoàn toàn có khả năng thay thế máy nén khí nhờ hiệu suất nhiệt động vượt trội trên 60% so với mức dưới 40% của chu trình nén khí, đồng thời giảm 100% rò rỉ khí nhà kính. Khi kết hợp cùng nam châm vĩnh cửu 1.5 T, các thiết bị thương mại sẽ sớm được hiện thực hóa.

Kết luận

• Chế tạo thành công hợp kim Heusler Ni50Mn38Sb12B3 bằng phương pháp nấu hồ quang chân không cao 10^-6 Torr kết hợp ủ nhiệt 900 độ C trong 120 giờ.
• Khẳng định cấu trúc tinh thể của hợp kim tồn tại ở trạng thái đa pha giữa lập phương L21 và trực thoi 4O, trong đó chuyển pha cấu trúc Martensitic diễn ra mạnh trong khoảng 200 K đến 262 K.
• Xác định chính xác hai điểm chuyển pha nhiệt động học quan trọng: chuyển pha cấu trúc Martensite - Austenite tại TM = 262 K và chuyển pha từ tại TC = 360 K.
• Thu được hiệu ứng từ nhiệt khổng lồ với biến thiên entropy từ cực đại tại nhiệt độ 261 K dưới dải từ trường ngoài biến thiên từ 0.1 T đến 5 T.
• Chứng minh nguyên tố Boron pha tạp xen kẽ đóng vai trò quyết định trong việc định hình vi cấu trúc và tính chất từ nhiệt của hệ vật liệu Heusler Ni-Mn-Sb.

Đóng góp chính của luận văn là đã làm sáng tỏ cơ chế chuyển pha cấu trúc từ và cung cấp giải pháp vật liệu từ nhiệt không chứa đất hiếm với chi phí thấp và hiệu năng cao. Trong giai đoạn 2026 - 2027, các nghiên cứu tiếp theo cần tập trung tối ưu hóa tỷ lệ Boron để đưa nhiệt độ làm việc về chính xác nhiệt độ phòng 298 K. Hãy liên hệ và hợp tác cùng các nhóm nghiên cứu vật liệu để tiếp tục thúc đẩy chuyển giao công nghệ làm lạnh xanh bền vững vào đời sống.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Mở đầu: Chƣơng 1: Tổng quan Chƣơng 2: Các phƣơng pháp thực nghiệm Chƣơng 3: Kết quả và thảo luận 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Chƣơng 1: TỔNG QUAN 1. Hiệu ứng từ nhiệt 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. Trong quá trình khử từ đoạn nhiệt, tức là quá trình ngược lại của quá trình trên, sự gia tăng entropy của hệ spin nhằm thiết lập lại trạng thái ban đầu sẽ được thỏa mãn do sự suy giảm entropy của mạng tinh thể và do đó nhiệt độ của vật liệu giảm xuống. Nếu như 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 kĩ thuật làm lạnh. Năm 1926, Debye và Giauque đã độc lập đề xuất khả năng ứng dụng MCE trong một kĩ thuật mà người ta gọi là khử từ đoạn nhiệt các muối thuận từ để làm lạnh. Kỹ thật này đã đưa con người đến sát gần điểm không tuyệt đối và do đó đã góp phần mang lại nhiều thành tựu vĩ đại trong sự phát triển của vật lí hiện đại. Năm 1976, Brown đã phát triển và ứng dụng các vật liệu có hiệu ứng từ nhiệt xảy ra ở nhiệt độ cao hơn trong các thiết bị làm lạnh (điều này thể hiện rõ trên thiết bị sử dụng MCE của Bảclay -1994) và đó là nơi khai sinh ra kĩ thuật làm lạnh từ ở vùng nhiệt độ cao.

Năm 1997 tại Mỹ, máy làm lạnh từ thử nghiệm sử dụng kim loại Gd như một tác nhân làm lạnh đã chạy suốt 14 năm và đạt được công suất cỡ 600W. Cũng trong năm ấy hai nhà vật lí người mĩ là K.Pecharsky đã công bố hiệu ứng từ nhiệt khổng lồ trong các hợp chất với 0,05 ≤ x ≤ 0,5. 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Vật liệu này có MCE lớn gấp 2 lần so với hợp kim Gd. Điều này khẳng định tính khả thi của kĩ thuật làm lạnh từ, nhất là các vật liệu có chuyển pha từ gần nhiệt độ phòng.

Từ phát hiện này các nhà khoa học đã tiếp tục nghiên cứu và tìm kiếm những vật liệu có MCE lớn, nhiệt độ chuyển pha cao và giá thành thấp. Bên cạnh những kết quả nghiên cứu thực nghiệm, không ít các nhà khoa học đã đưa ra các lý thuyết để mô tả và giải thích hiện tượng này: lý thuyết Landau cho chuyển pha loại hai của sắt từ tại nhiệt độ Curie, lý thuyết trường tới hạn của Rossing và Weiss, Lý thuyết sóng spin…v.v… đều đã được sử dụng để giải quyết bài toán này. Cơ chế của hiệu ứng từ nhiệt Khi ta đặt một từ trường vào một vật liệu từ, các mômen từ sẽ có xu hướng sắp xếp định hướng theo từ trường. Sự định hướng này làm giảm entropy của hệ mômen từ.

Nếu ta thực hiện quá trình này một cách đoạn nhiệt (tổng entropy của hệ vật không đổi) thì entropy của mạng tinh thể sẽ phải tăng để bù lại sự giảm của entropy mômen từ. Quá trình này làm cho vật từ bị nóng lên. Ngược lại, nếu ta khử từ (đoạn nhiệt), các mômen từ sẽ bị quay trở lại trạng thái bất trật tự, dẫn đến việc tăng entropy của hệ mômen từ. Do đó, entropy của mạng tinh thể bị giảm, và vật từ bị lạnh đi.1 : Mô tả cơ chế của hiệu ứng từ nhiệt [37] Theo hệ thức Maxwell [16] ta có : (1.1) Trong từ trường thay đổi với tương ứng là từ trường ban đầu và từ trường cuối cùng [16], ta có : 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.2) Kết hợp với phương trình (16): (1.5) Số hạng thứ nhất tương ứng có : là nhiệt dung Số hạng thứ hai chính là biến thiên entropy từ : Mặt khác có : (1.7) Như vậy, nếu ta thực hiện một quá trình biến đổi từ trường từ H = 0 đến H, thì biến thiên entropy từ sẽ được xác định là : (1.8) Biến thiên nhiệt độ trong các quá trình đoạn nhiệt này ( ) sẽ được tính bằng công thức : (1.9) 8 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Ở đây C(T,H) là nhiệt dung của vật liệu.

Tham số ΔSm được coi là tham số đặc trưng cho hiệu ứng từ nhiệt của vật liệu. Tham số biến thiên nhiệt độ đoạn nhiệt ΔTad cực kỳ quan trọng cho ứng dụng. Một cách gần đúng, có thể xem rằng biến thiên nhiệt độ đoạn nhiệt tỉ lệ thuận với biến thiên entropy từ, tỉ lệ nghịch với nhiệt dung và tỉ lệ thuận với nhiệt độ hoạt động. Như vậy để có giá trị lớn vật liệu cần có nhiệt dung C nhỏ, nhiệt độ hoạt động cao và biến thiên entropy từ lớn.

Hiệu ứng từ nhiệt lần đầu tiên được ứng dụng vào các máy lạnh hoạt động bằng từ trường vào năm 1933 để tạo ra nhiệt độ rất thấp là 0,3 Kelvin bằng cách khử từ đoạn nhiệt các muối thuận từ. Các phương pháp đo hiệu ứng từ nhiệt 1. Đo trực tiếp: Kỹ thuật đo trực tiếp hiệu ứng từ nhiệt luôn bao hàm các phép đo nhiệt độ , trong các từ trường và. Trong đó , , và tương ứng là nhiệt độ ban đầu, nhiệt độ cuối cùng, từ trường ban đầu và từ trường cuối cùng.

Và được xác định,. Mẫu cần đo được đặt vào buồng cách nhiệt và có thể điều khiển nhiệt độ, tiếp xúc với cảm biến nhiệt độ. Đặt từ trường vào để từ hóa và khử từ mẫu đo, cảm biến nhiệt độ sẽ ghi lại trực tiếp sự biến đổi nhiệt độ của vật liệu. Cách này cho trực tiếp biến thiên nhiệt độ đoạn nhiệt nhưng khó thực hiện hơn do phải tạo cho vật không có sự trao đổi nhiệt trong quá trình đo.

Đo trực tiếp biến thiên nhiệt độ đoạn nhiệt , người ta có thể đo trong từ trường thay đổi, đo trong từ trường tĩnh…vv. Các phép đo trong từ trường thay đổi [5]: Trong phương pháp này ta tiến hành đo nhiệt độ ban đầu và nhiệt độ cuối cùng của sự từ hóa mẫu, và hiệu ứng MCE tại nhiệt độ được xác định khi có sự khác nhau giữa nhiệt độ và nhiệt độ. Năm 1962, Weiss và Forer [Tishin] đã đưa ra cách đo sự thay đổi nhiệt độ của vật liệu trong từ trường tác dụng được sinh ra từ một nam châm điện (kỹ thuật swich-on). Sau đó, Clark và Callen 9 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] (năm 1969) cũng sử dụng phương pháp này, tạo phép đo đầu tiên trong từ trường mạnh ( lên tới 110kOe) trên vật liệu yttrium sắt garnet.

Trong phép đo của Weiss và Forer (1962) , cũng như phép đo của Clark và Callen (1969), nhiệt độ của mẫu được đo bằng một cặp nhiệt điện. Green (1988) sử dụng công nghệ switch-on để đo MCE trong một cuộn dây siêu dẫn. Dụng cụ thí nghiệm của họ nhờ 1 ống dây siêu dẫn có đường kính 12.13cm, chiều dài 25.4cm và 1 lỗ khoan 8.54cm, thiết bị này có thể tạo ra từ trường tới 70kOe. Nhiệt độ của mẫu đo được sau khi thu được giá trị từ trường lớn nhất từ 5 cặp nhiệt điện đặt trên mẫu, tiến hành trong 10s.

Nhìn chung toàn bộ quá trình đo vào khoảng 40s cùng với thời gian từ trường tăng là 30s. Phương pháp này đã được sử dụng để đo nhiệt độ của các kim loại đất hiếm với nhiệt độ trên 180K. Kuhrt (1985) đã sử dụng một cặp nhiệt điện vi sai, thiết bị này đã cho một kết quả chính xác hơn trong phép đo hiệu ứng từ nhiệt.2: Lược đồ của thiết bị đo MCE sử dụng một cặp nhiệt vi sai [5]. Borovikov (1981) đã đo hiệu ứng từ nhiệt trong siderit bằng việc sử dụng từ trường xung.

Trong phép đo này, mẫu có dạng hình hộp và có chiều dài vài milimet. Từ trường xung được sinh ra từ cuộn dây nén, và đạt giá trị lớn nhất lên tới 10 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 270kOe, không gian làm việc có bán kính và chiều dài tương ứng là 5. MCE đo được bằng cặp nhiệt điện hoặc bằng công nghệ từ quang (magneto – opital). Phương pháp này có thể được sử dụng để đo nhiệt độ của mẫu trên 21K với độ chính xác cỡ 0.

Ponomarev(1983,1986), đã tạo ra sự phát triển xa hơn của phương pháp từ trường xung. Ông đã đo MCE của Gd đa tinh thể trong từ trường xung lên tới 80kOe, trong khoảng nhiệt độ 80 – 350K. Sau này các phép đo MCE ngày càng phát triển và được cải tiến với mục đích để đo được chính xác và khoảng đo rộng hơn. Tuy nhiên, các phép đo trực tiếp này cũng không tránh khỏi những sai số và các ảnh hưởng của can nhiễu trong quá trình đo có thể xuất phát từ thiết bị hay từ phương thức đo.

Vì vậy trong quá trình đo chúng ta cần lưu ý tới các sai số và những ảnh hưởng của các sai số đó. Các phép đo trong từ trường tĩnh [5]: Một cuộn dây siêu dẫn có thể sinh ra từ trường lớn lên tới 100kOe. Trong khi từ trường sinh ra từ một nam châm điện không siêu dẫn chỉ đạt tới 20kOe, và có giá trị lớn nhất chỉ trong vài giây. Tuy nhiên, với một cuộn dây siêu dẫn thì từ trường đạt giá trị cực đại trong vài phút.

Trong thời gian từ trường tăng thì một lượng nhiệt tiêu hao đã giải phóng ra do xảy ra hiệu ứng MCE. Theo đánh giá của Tishin thì khoảng thời gian từ trường tăng không được phép lớn hơn 10s đối với nhiệt độ trên 30K. Trong khoảng nhiệt độ 10-20K thì thời gian này nhỏ cỡ vài lần vì lượng nhiệt rò rỉ qua cặp nhiệt điện sẽ tăng lên khi thời gian tăng. Đây là những khó khăn và hạn chế của công nghệ này.

Để khắc phục những hạn chế này, một phương pháp được đưa ra đó là mẫu sẽ đưa vào khá nhanh trong từ trường tĩnh của một cuộn dây siêu dẫn. Phép đo này được tiến hành theo các bước sau: + Ban đầu mẫu được đặt bên ngoài cuộn dây.