Nghiên Cứu Hợp Kim Nhớ Hình Heusler Nền Ni-Mn: Tính Chất và Ứng Dụng

• Tác giả: Bùi Thị Ngọc Lan
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Hải Yến
• Trường học: Học viện Khoa học và Công nghệ
• Chuyên ngành: Vật liệu công nghệ
• Đề tài: Nghiên Cứu Hợp Kim Nhớ Hình Heusler Nền Ni-Mn: Tính Chất và Ứng Dụng
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỢP KIM NHỚ HÌNH HEUSLER NỀN Ni-Mn
• 1.1. Tổng quan về hợp kim nhớ hình
• 1.2. Hiệu ứng nhớ hình của hợp kim
• 1.3. Cơ chế biến đổi pha trong hợp kim nhớ hình
• 1.4. Lịch sử phát triển nghiên cứu hợp kim nhớ hình
• 1.5. Ứng dụng của hợp kim nhớ hình
• 1.6. Tổng quan về hợp kim nhớ hình Heusler nền Ni-Mn
• 1.7. Cấu trúc của hợp kim Heusler nền Ni-Mn
• 1.8. Tính chất từ của hợp kim Heusler nền Ni-Mn
• 1.9. Một số kết quả nghiên cứu về cấu trúc, tính chất từ và hiệu ứng nhớ hình của hợp kim Heusler nền Ni-Mn
• 2. CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM
• 2.1. Chế tạo mẫu
• 2.2. Tạo hợp kim ban đầu
• 2.3. Phun băng nguội nhanh
• 2.4. Các phép đo khảo sát mẫu
• 2.5. Phép đo khảo sát cấu trúc bằng nhiễu xạ tia X
• 2.6. Phép đo khảo sát cấu trúc bằng kính hiển vi điện tử quét
• 2.7. Phép đo khảo sát tính chất từ
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Cấu trúc và tính chất từ của hợp kim nhớ hình Heusler Ni50Mn50-xGax
• 3.2. Cấu trúc của hợp kim nhớ hình Heusler Ni50Mn50-xGax
• 3.3. Tính chất từ của hợp kim nhớ hình Heusler Ni50Mn50-xGax
• 3.4. Ảnh hưởng của Co lên cấu trúc và tính chất từ của hợp kim nhớ hình Heusler Ni50-xCoxMn29Ga21
• 3.4.1. Ảnh hưởng của Co lên cấu trúc của hợp kim nhớ hình Heusler Ni50-xCoxMn29Ga21
• 3.4.2. Ảnh hưởng của Co lên tính chất từ của hợp kim nhớ hình Heusler Ni50-xCoxMn29Ga21
• KẾT LUẬN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Hợp Kim Nhớ Hình Heusler Ni Mn Giới Thiệu

Hợp kim nhớ hình (SMA) là một loại vật liệu thông minh có khả năng khôi phục hình dạng ban đầu sau khi biến dạng, dưới tác động của nhiệt độ hoặc từ trường. Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng nhớ hình (SME). Nguồn gốc của SME nằm ở sự chuyển đổi cấu trúc tinh thể của vật liệu. Các hợp kim nhớ hình Heusler nền Ni-Mn đang thu hút sự chú ý lớn nhờ các tính chất độc đáo và tiềm năng ứng dụng rộng rãi. Chúng có thể tồn tại ở hai pha tinh thể khác nhau: pha mactenxit (ổn định ở nhiệt độ thấp) và pha autenit (ổn định ở nhiệt độ cao). Các SMA có khả năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như y sinh, hàng không vũ trụ, vi điện tử và tự động hóa.

1.1. Định Nghĩa và Cơ Chế Hiệu Ứng Nhớ Hình SME

Hiệu ứng nhớ hình (SME) là khả năng của vật liệu khôi phục hình dạng ban đầu sau khi trải qua biến dạng. Cơ chế đằng sau SME là sự chuyển đổi pha giữa pha mactenxit (ở nhiệt độ thấp) và pha autenit (ở nhiệt độ cao). Khi vật liệu bị biến dạng ở pha mactenxit, nó có thể trở lại hình dạng ban đầu khi được nung nóng đến nhiệt độ chuyển pha autenit. Quá trình này liên quan đến sự sắp xếp lại của cấu trúc tinh thể. Theo tài liệu gốc, "Nguồn gốc của hiệu ứng nhớ hình (SME) là do sự biến đổi cấu trúc tinh thể của vật liệu khi nhiệt độ hoặc từ trường tác dụng lên nó [1-10]."

1.2. Các Loại Hợp Kim Nhớ Hình Phổ Biến Hiện Nay

Ngoài hợp kim nhớ hình Heusler nền Ni-Mn, còn có nhiều loại SMA khác như hợp kim NiTi (Nitinol), hợp kim đồng (Cu-Al-Ni, Cu-Zn-Al), và hợp kim sắt (Fe-Mn-Si). Mỗi loại hợp kim có những ưu điểm và nhược điểm riêng, phù hợp với các ứng dụng khác nhau. Ví dụ, Nitinol nổi tiếng với tính tương thích sinh học cao, trong khi hợp kim đồng có giá thành thấp hơn. Việc lựa chọn loại hợp kim phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của ứng dụng, bao gồm nhiệt độ chuyển pha, độ bền, và khả năng chống ăn mòn.

II. Thách Thức Nghiên Cứu Hợp Kim Nhớ Hình Ni Mn Heusler

Mặc dù hợp kim nhớ hình Heusler nền Ni-Mn có nhiều tiềm năng, nhưng vẫn còn nhiều thách thức trong nghiên cứu và phát triển. Một trong những thách thức lớn nhất là kiểm soát chính xác thành phần và cấu trúc của hợp kim để đạt được các tính chất mong muốn. Các yếu tố như nhiệt độ chuyển pha, ứng suất chuyển pha, và tính chất từ rất nhạy cảm với sự thay đổi nhỏ trong thành phần và điều kiện chế tạo. Ngoài ra, việc cải thiện độ bền và khả năng chống mỏi của hợp kim cũng là một vấn đề quan trọng cần được giải quyết. Theo tài liệu gốc, "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 [8–9]."

2.1. Ảnh Hưởng của Thành Phần Hóa Học Đến Tính Chất

Thành phần hóa học đóng vai trò then chốt trong việc xác định tính chất của hợp kim nhớ hình. Sự thay đổi nhỏ trong tỷ lệ các nguyên tố Ni-Mn và các nguyên tố khác như Ga, In, Sn, Sb có thể ảnh hưởng đáng kể đến nhiệt độ chuyển pha, tính chất từ, và hiệu ứng nhớ hình. Việc tối ưu hóa thành phần hợp kim là một quá trình phức tạp đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc về mối quan hệ giữa cấu trúc và tính chất. Các phương pháp mô phỏng hợp kim nhớ hình và tính toán ab initio đang được sử dụng để dự đoán và tối ưu hóa thành phần hợp kim.

2.2. Tối Ưu Hóa Quy Trình Chế Tạo Hợp Kim Heusler Ni Mn

Quy trình chế tạo có ảnh hưởng lớn đến cấu trúc và tính chất của hợp kim nhớ hình. Các phương pháp chế tạo khác nhau như nấu chảy, đúc, cán, kéo, và phun băng nguội nhanh có thể tạo ra các cấu trúc vi mô khác nhau, ảnh hưởng đến tính chất cơ học và tính chất từ. Xử lý nhiệt hợp kim Heusler là một bước quan trọng để điều chỉnh cấu trúc và cải thiện hiệu ứng nhớ hình. Việc tối ưu hóa quy trình chế tạo đòi hỏi sự kiểm soát chặt chẽ các thông số như nhiệt độ, thời gian, và tốc độ làm nguội.

2.3. Độ Bền và Tuổi Thọ Vật Liệu Hợp Kim Nhớ Hình

Độ bền và tuổi thọ là những yếu tố quan trọng cần xem xét khi ứng dụng hợp kim nhớ hình trong thực tế. Các yếu tố như độ bền mỏi, ăn mòn, và creep có thể ảnh hưởng đến hiệu suất và tuổi thọ của vật liệu. Việc cải thiện tính chất cơ học và khả năng chống ăn mòn là một thách thức lớn trong nghiên cứu hợp kim nhớ hình. Các phương pháp như thêm các nguyên tố hợp kim, xử lý bề mặt, và sử dụng lớp phủ bảo vệ đang được nghiên cứu để cải thiện độ bền và tuổi thọ của vật liệu.

III. Phương Pháp Chế Tạo Hợp Kim Nhớ Hình Heusler Ni Mn

Có nhiều phương pháp khác nhau để chế tạo hợp kim nhớ hình Heusler nền Ni-Mn, mỗi phương pháp có những ưu điểm và nhược điểm riêng. Phương pháp nấu chảy và đúc là phương pháp truyền thống, nhưng có thể khó kiểm soát thành phần và cấu trúc. Phương pháp phun băng nguội nhanh cho phép tạo ra các vật liệu có cấu trúc vi mô mịn và đồng nhất, cải thiện tính chất từ và hiệu ứng nhớ hình. Các phương pháp khác như lắng đọng phún xạ và lắng đọng laser cũng đang được sử dụng để chế tạo các màng mỏng hợp kim nhớ hình.

3.1. Kỹ Thuật Nấu Chảy và Đúc Hợp Kim Heusler Ni Mn

Kỹ thuật nấu chảy và đúc là một phương pháp truyền thống để chế tạo hợp kim nhớ hình. Quá trình này bao gồm nấu chảy các nguyên tố thành phần trong lò và sau đó đúc chúng thành hình dạng mong muốn. Mặc dù phương pháp này tương đối đơn giản và chi phí thấp, nhưng nó có thể khó kiểm soát thành phần và cấu trúc của hợp kim, đặc biệt là đối với các hợp kim có thành phần phức tạp. Theo tài liệu gốc, "Tạo mẫu khối bằng phương pháp nấu hồ quang."

3.2. Ưu Điểm Của Phương Pháp Phun Băng Nguội Nhanh

Phương pháp phun băng nguội nhanh là một kỹ thuật tiên tiến để chế tạo hợp kim nhớ hình với cấu trúc vi mô mịn và đồng nhất. Trong phương pháp này, hợp kim nóng chảy được phun lên một bề mặt làm lạnh nhanh, tạo ra một băng mỏng với tốc độ làm nguội rất cao. Tốc độ làm nguội nhanh giúp ngăn chặn sự hình thành các pha không mong muốn và tạo ra cấu trúc vi mô mịn, cải thiện tính chất từ và hiệu ứng nhớ hình. Theo tài liệu gốc, "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 [17, 18]."

3.3. Các Phương Pháp Chế Tạo Màng Mỏng Hợp Kim Nhớ Hình

Ngoài các phương pháp chế tạo khối, còn có nhiều phương pháp để chế tạo màng mỏng hợp kim nhớ hình, chẳng hạn như lắng đọng phún xạ, lắng đọng laser, và lắng đọng hóa học pha hơi. Các màng mỏng hợp kim nhớ hình có thể được sử dụng trong các ứng dụng vi cơ điện tử (MEMS) và các thiết bị cảm biến. Việc kiểm soát độ dày và thành phần của màng mỏng là rất quan trọng để đạt được các tính chất mong muốn.

IV. Ứng Dụng Tiềm Năng Của Hợp Kim Nhớ Hình Heusler Ni Mn

Hợp kim nhớ hình Heusler nền Ni-Mn có nhiều ứng dụng tiềm năng trong các lĩnh vực khác nhau. Trong lĩnh vực y sinh, chúng có thể được sử dụng để chế tạo các thiết bị y tế như stent, van tim nhân tạo, và các dụng cụ phẫu thuật. Trong lĩnh vực hàng không vũ trụ, chúng có thể được sử dụng để chế tạo các cấu trúc có thể biến đổi hình dạng và các hệ thống điều khiển. Trong lĩnh vực năng lượng, chúng có thể được sử dụng để chế tạo các thiết bị chuyển đổi năng lượng và các hệ thống thu hồi nhiệt thải. Theo tài liệu gốc, "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…"

4.1. Ứng Dụng Trong Y Sinh Học Của Hợp Kim Nhớ Hình

Hợp kim nhớ hình có nhiều ứng dụng trong lĩnh vực y sinh học nhờ tính tương thích sinh học cao và khả năng biến đổi hình dạng. Chúng có thể được sử dụng để chế tạo các stent mạch máu, van tim nhân tạo, neo xương, và các dụng cụ phẫu thuật. Khả năng khôi phục hình dạng ban đầu của hợp kim nhớ hình cho phép chúng được sử dụng trong các ứng dụng đòi hỏi sự linh hoạt và khả năng thích ứng cao.

4.2. Ứng Dụng Trong Hàng Không Vũ Trụ và Cơ Điện Tử

Hợp kim nhớ hình có thể được sử dụng trong lĩnh vực hàng không vũ trụ để chế tạo các cấu trúc có thể biến đổi hình dạng, chẳng hạn như cánh máy bay có thể thay đổi hình dạng để tối ưu hóa hiệu suất bay. Chúng cũng có thể được sử dụng trong các hệ thống điều khiển và các thiết bị cảm biến. Trong lĩnh vực cơ điện tử, hợp kim nhớ hình có thể được sử dụng để chế tạo các actuator và các thiết bị vi cơ điện tử (MEMS).

4.3. Ứng Dụng Trong Lĩnh Vực Năng Lượng Tái Tạo

Hợp kim nhớ hình có thể được sử dụng trong lĩnh vực năng lượng để chế tạo các thiết bị chuyển đổi năng lượng, chẳng hạn như các động cơ nhiệt hợp kim nhớ hình và các hệ thống thu hồi nhiệt thải. Khả năng chuyển đổi năng lượng nhiệt thành năng lượng cơ học của hợp kim nhớ hình cho phép chúng được sử dụng trong các ứng dụng năng lượng tái tạo.

V. Nghiên Cứu Cấu Trúc và Tính Chất Từ Hợp Kim Ni Mn Ga

Nghiên cứu cấu trúc và tính chất từ của hợp kim Ni-Mn-Ga là một lĩnh vực quan trọng trong nghiên cứu hợp kim nhớ hình Heusler. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng nhiệt độ chuyển pha mactenxit-autenit giảm khi tăng nồng độ Ga. 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.

5.1. Ảnh Hưởng Của Ga Đến Nhiệt Độ Chuyển Pha Hợp Kim Ni Mn Ga

Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng nhiệt độ chuyển pha mactenxit-autenit của hợp kim Ni-Mn-Ga giảm khi tăng nồng độ Ga. Điều này có thể được giải thích bằng sự thay đổi trong cấu trúc điện tử và tương tác từ của hợp kim khi Ga được thêm vào. Việc kiểm soát nồng độ Ga là rất quan trọng để điều chỉnh nhiệt độ chuyển pha của hợp kim cho các ứng dụng cụ thể.

5.2. Tác Động Của Co Đến Tính Chất Từ Của Hợp Kim Ni Mn Ga

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. Kết quả là, nhiệt độ Curie của pha mactenxit (TCM) giảm xuống và nhiệt độ Curie của pha autenit (TCA) được tăng lên khi nồng độ Co trong hợp kim Ni-Mn-Co-Ga tăng lên.

VI. Xu Hướng Phát Triển Hợp Kim Nhớ Hình Heusler Ni Mn

Nghiên cứu và phát triển hợp kim nhớ hình Heusler nền Ni-Mn đang tiếp tục phát triển với nhiều hướng đi mới. Một trong những xu hướng quan trọng là phát triển các vật liệu tiên tiến có tính chất thông minh, có khả năng tự phục hồi, tự tổ chức, và tự thích nghi. Các phương pháp mô phỏng và tính toán đang được sử dụng để dự đoán và thiết kế các hợp kim nhớ hình với các tính chất mong muốn. Việc phát triển các quy trình chế tạo mới và các kỹ thuật xử lý bề mặt cũng là một hướng đi quan trọng để cải thiện độ bền và tuổi thọ của vật liệu.

6.1. Phát Triển Vật Liệu Thông Minh Tự Phục Hồi và Thích Nghi

Một trong những xu hướng quan trọng trong nghiên cứu hợp kim nhớ hình là phát triển các vật liệu thông minh có khả năng tự phục hồi, tự tổ chức, và tự thích nghi. Các vật liệu này có thể được sử dụng trong các ứng dụng đòi hỏi sự linh hoạt và khả năng thích ứng cao, chẳng hạn như các thiết bị y tế cấy ghép và các cấu trúc hàng không vũ trụ.

6.2. Ứng Dụng Mô Phỏng và Tính Toán Trong Thiết Kế Hợp Kim

Các phương pháp mô phỏng và tính toán đang được sử dụng ngày càng nhiều trong nghiên cứu hợp kim nhớ hình để dự đoán và thiết kế các hợp kim với các tính chất mong muốn. Các phương pháp này cho phép các nhà nghiên cứu khám phá các thành phần và cấu trúc khác nhau mà không cần phải thực hiện các thí nghiệm tốn kém và mất thời gian.

6.3. Cải Thiện Độ Bền và Tuổi Thọ Vật Liệu Hợp Kim Nhớ Hình

Việc cải thiện độ bền và tuổi thọ của hợp kim nhớ hình là một thách thức quan trọng trong nghiên cứu và phát triển. Các phương pháp như thêm các nguyên tố hợp kim, xử lý bề mặt, và sử dụng lớp phủ bảo vệ đang được nghiên cứu để cải thiện tính chất cơ học và khả năng chống ăn mòn của vật liệu.