Nghiên cứu ảnh hưởng của Co và Al lên hiệu ứng từ nhiệt của băng hợp kim Heusler ni-mn

• Tác giả: Vũ Mạnh Quang
• Người hướng dẫn: GS. Nguyễn Huy Dân
• Trường học: Học viện Khoa học và Công nghệ
• Chuyên ngành: Vật liệu điện tử
• Đề tài: Nghiên cứu hiệu ứng từ nhiệt của băng hợp kim Heusler ni-mn dưới ảnh hưởng của Co và Al
• Loại tài liệu: luận án
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. MỞ ĐẦU
• 2. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU TỪ NHIỆT VÀ CÔNG NGHỆ LÀM LẠNH BẰNG TỪ TRƯỜNG
• 2.1. Tổng quan về hiệu ứng từ nhiệt
• 2.2. Cơ sở nhiệt động học của hiệu ứng từ nhiệt
• 2.3. Phương pháp đánh giá hiệu ứng từ nhiệt của vật liệu
• 2.4. Mối quan hệ giữa chuyển pha và trật tự từ với hiệu ứng từ nhiệt
• 2.5. Tổng quan về vật liệu từ nhiệt. Một số vật liệu từ nhiệt tiêu biểu
• 2.6. Cấu trúc và tính chất từ của hệ hợp kim Heusler nền Ni-Mn
• 2.7. Hiệu ứng từ nhiệt của hệ hợp kim Heusler nền Ni-Mn
• 2.8. Hệ hợp kim từ nhiệt Heusler (Ni,Co)-Mn-Al
• 2.9. Công nghệ làm lạnh bằng từ trường
• 2.10. Ứng dụng trong kĩ thuật tạo nhiệt độ thấp
• 2.11. Ứng dụng trong kĩ thuật làm lạnh tại nhiệt độ phòng
• 2.12. Một số kết quả nghiên cứu vật liệu từ nhiệt Heusler nền Ni-Mn ở Việt Nam
• 2.13. Kết luận chương 1
• 3. KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM
• 3.1. Chế tạo mẫu. Chế tạo hợp kim
• 3.2. Chế tạo mẫu băng
• 3.3. Các phương pháp nghiên cứu cấu trúc, tính chất từ và hiệu ứng từ nhiệt
• 3.4. Phân tích cấu trúc bằng nhiễu xạ tia X
• 3.5. Nghiên cứu tính chất từ và hiệu ứng từ nhiệt bằng phép đo từ trễ và từ nhiệt
• 3.6. Kết luận chương 2
• 4. ẢNH HƯỞNG CỦA Co VÀ Al LÊN HIỆU ỨNG TỪ NHIỆT CỦA HỢP KIM NỀN Ni-Mn
• 4.1. Hiệu ứng từ nhiệt trên hệ băng hợp kim Ni50-xCoxMn37Sn13
• 4.2. Cấu trúc của hệ băng hợp kim Ni50-xCoxMn37Sn13. Tính chất từ của hệ băng hợp kim Ni50-xCoxMn37Sn13
• 4.3. Hiệu ứng từ nhiệt trên hệ băng hợp kim Ni50Mn37-xAlxSn13
• 4.4. Cấu trúc của hệ băng hợp kim Ni50Mn37-xAlxSn13
• 4.5. Tính chất từ của hệ băng hợp kim Ni50Mn37-xAlxSn13
• 4.6. Kết luận chương 3
• 5. THỬ NGHIỆM ĐO TRỰC TIẾP HIỆU ỨNG TỪ NHIỆT VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ LÀM LẠNH BẰNG TỪ TRƯỜNG
• 5.1. Đo trực tiếp hiệu ứng từ nhiệt
• 5.2. Chế tạo thiết bị làm lạnh bằng từ trường. Thiết kế, chế tạo bộ phận tạo từ trường
• 5.3. Thiết kế chế tạo buồng chứa vật liệu từ nhiệt
• 5.4. Thiết kế, chế tạo hệ thống truyền tải nhiệt
• 5.5. Bộ hiển thị nhiệt độ
• 5.6. Thiết kế chế tạo hệ thống chuyển tải cơ năng
• 5.7. Lắp đặt hệ thống và vận hành
• 5.8. Thử nghiệm, đánh giá hiệu suất làm lạnh của vật liệu từ nhiệt chế tạo được
• 5.9. Kết luận chương 4
• 6. KẾT LUẬN CHUNG
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về hợp kim Heusler và hiệu ứng từ nhiệt

Hợp kim Heusler là một loại vật liệu có cấu trúc tinh thể đặc biệt, thường được nghiên cứu trong lĩnh vực vật liệu từ nhiệt. Hiệu ứng từ nhiệt (MCE) của hợp kim này được đánh giá qua khả năng thay đổi nhiệt độ khi bị từ hóa hoặc khử từ. Nghiên cứu cho thấy, hợp kim Heusler nền Ni-Mn có tiềm năng lớn trong ứng dụng làm lạnh bằng từ trường. Hiệu ứng từ nhiệt của hợp kim này có thể được điều chỉnh thông qua việc thêm các nguyên tố như Co và Al. Việc nghiên cứu này không chỉ giúp hiểu rõ hơn về tính chất vật liệu mà còn mở ra hướng đi mới cho công nghệ làm lạnh thân thiện với môi trường.

1.1. Tính chất vật liệu của hợp kim Heusler

Hợp kim Heusler nền Ni-Mn có cấu trúc tinh thể đặc trưng, cho phép chúng thể hiện các tính chất từ tính độc đáo. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, việc thêm Co và Al vào cấu trúc này có thể làm thay đổi đáng kể tính chất từ và hiệu ứng từ nhiệt. Cụ thể, sự thay đổi tỷ lệ giữa các nguyên tố này có thể dẫn đến sự thay đổi trong nhiệt độ chuyển pha và biến thiên entropy từ. Điều này có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển các vật liệu mới cho ứng dụng trong công nghệ làm lạnh bằng từ trường.

II. Ảnh hưởng của Co và Al lên hiệu ứng từ nhiệt

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng, việc bổ sung Co và Al vào hợp kim Heusler nền Ni-Mn có ảnh hưởng rõ rệt đến hiệu ứng từ nhiệt. Cụ thể, các mẫu băng hợp kim Ni50-xCoxMn37Sn13 cho thấy sự thay đổi trong biến thiên entropy từ (ΔSm) và khả năng làm lạnh (RC) khi tỷ lệ Co thay đổi. Tương tự, các mẫu Ni50Mn37-xAlxSn13 cũng cho thấy sự thay đổi tương tự khi tỷ lệ Al thay đổi. Điều này cho thấy rằng, việc điều chỉnh thành phần hóa học của hợp kim có thể tối ưu hóa hiệu suất làm lạnh của chúng.

2.1. Hiệu ứng từ nhiệt trên hệ băng hợp kim Ni50 xCoxMn37Sn13

Các thí nghiệm cho thấy rằng, khi tăng tỷ lệ Co trong hợp kim Ni50-xCoxMn37Sn13, hiệu ứng từ nhiệt dương gia tăng, dẫn đến khả năng làm lạnh tốt hơn. Sự thay đổi này có thể được giải thích bằng sự thay đổi trong cấu trúc từ và nhiệt độ chuyển pha của hợp kim. Các kết quả này không chỉ khẳng định vai trò của Co trong việc cải thiện hiệu suất từ nhiệt mà còn mở ra hướng nghiên cứu mới cho các hợp kim Heusler khác.

2.2. Hiệu ứng từ nhiệt trên hệ băng hợp kim Ni50Mn37 xAlxSn13

Tương tự như hệ băng hợp kim Ni50-xCoxMn37Sn13, việc thay đổi tỷ lệ Al trong hợp kim Ni50Mn37-xAlxSn13 cũng dẫn đến sự thay đổi đáng kể trong hiệu ứng từ nhiệt. Các mẫu với tỷ lệ Al cao hơn cho thấy khả năng làm lạnh tốt hơn, điều này cho thấy rằng Al có thể đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa tính chất từ của hợp kim. Nghiên cứu này mở ra cơ hội cho việc phát triển các vật liệu từ nhiệt mới với hiệu suất cao hơn.

III. Kỹ thuật thực nghiệm và kết quả

Nghiên cứu đã áp dụng nhiều phương pháp thực nghiệm để đánh giá hiệu ứng từ nhiệt của các mẫu băng hợp kim Heusler. Các phương pháp như nhiễu xạ tia X (XRD) và đo từ trễ đã được sử dụng để phân tích cấu trúc và tính chất từ của các mẫu. Kết quả cho thấy rằng, các mẫu băng hợp kim Ni50-xCoxMn37Sn13 và Ni50Mn37-xAlxSn13 đều thể hiện hiệu ứng từ nhiệt rõ rệt, với biến thiên entropy từ đạt giá trị cao. Điều này chứng tỏ rằng, các hợp kim Heusler có tiềm năng lớn trong ứng dụng làm lạnh bằng từ trường.

3.1. Phương pháp chế tạo mẫu

Các mẫu băng hợp kim được chế tạo bằng phương pháp nguội nhanh, giúp đảm bảo cấu trúc tinh thể đồng nhất và tính chất từ ổn định. Quá trình chế tạo được thực hiện trong môi trường chân không để tránh ô nhiễm và đảm bảo chất lượng mẫu. Các mẫu sau khi chế tạo được kiểm tra bằng phương pháp XRD để xác định cấu trúc tinh thể và tính chất từ. Kết quả cho thấy rằng, các mẫu băng hợp kim có cấu trúc tinh thể tốt, phù hợp cho việc nghiên cứu hiệu ứng từ nhiệt.

3.2. Đánh giá hiệu suất làm lạnh

Đánh giá hiệu suất làm lạnh của các mẫu băng hợp kim được thực hiện thông qua việc đo biến thiên entropy từ (ΔSm) và khả năng làm lạnh (RC). Kết quả cho thấy rằng, các mẫu băng hợp kim Ni50-xCoxMn37Sn13 và Ni50Mn37-xAlxSn13 đều có khả năng làm lạnh tốt, với ΔSm đạt giá trị cao. Điều này chứng tỏ rằng, hợp kim Heusler có tiềm năng lớn trong ứng dụng làm lạnh bằng từ trường, mở ra hướng đi mới cho công nghệ làm lạnh thân thiện với môi trường.

IV. Kết luận và triển vọng nghiên cứu

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng, hợp kim Heusler nền Ni-Mn có hiệu ứng từ nhiệt đáng kể và có thể được tối ưu hóa thông qua việc điều chỉnh thành phần hóa học bằng cách thêm Co và Al. Các kết quả thực nghiệm cho thấy rằng, việc nghiên cứu sâu hơn về các hợp kim này có thể dẫn đến việc phát triển các vật liệu mới cho ứng dụng trong công nghệ làm lạnh bằng từ trường. Hướng nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc tìm kiếm các hợp kim Heusler mới với hiệu suất từ nhiệt cao hơn, đồng thời nghiên cứu các phương pháp chế tạo tiên tiến để cải thiện chất lượng và tính ổn định của vật liệu.

4.1. Triển vọng ứng dụng trong công nghệ làm lạnh

Với những ưu điểm vượt trội về hiệu suất và tính thân thiện với môi trường, hợp kim Heusler nền Ni-Mn có thể trở thành lựa chọn hàng đầu cho công nghệ làm lạnh trong tương lai. Việc phát triển các thiết bị làm lạnh dựa trên hiệu ứng từ nhiệt sẽ không chỉ giúp cải thiện hiệu suất làm lạnh mà còn giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường. Nghiên cứu này mở ra cơ hội cho việc ứng dụng rộng rãi các hợp kim Heusler trong nhiều lĩnh vực khác nhau.