Nghiên cứu chế tạo và tính chất từ của hợp kim vô định hình Fe-Zr

Luận án tiến sĩ nghiên cứu nghiên cứu chế tạo tính chất từ và hiệu ứng từ nhiệt của hợp kim vô định hình nền fe zr, phát triển phương pháp mới, đánh giá hiệu quả ứng dụng trong

• Tác giả: Nguyễn Hoàng Hà
• 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 chế tạo, tính chất từ và hiệu ứng từ nhiệt của hợp kim vô định hình nền Fe-Zr
• Loại tài liệu: Luận án Tiến sĩ Khoa học Vật liệu
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• CẢM ƠN
• CAM ĐOAN
• Danh mục các chữ viết tắt và ký hiệu
• Danh mục các hình và đồ thị
• Danh mục các bảng
• MỤC LỤC
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HIỆU ỨNG TỪ NHIỆT TRÊN CÁC HỆ HỢP KIM NGUỘI NHANH
• 1.1. Hiệu ứng từ nhiệt
• 1.2. Cơ sở nhiệt động học của hiệu ứng từ nhiệt
• 1.3. Phương pháp đánh giá hiệu ứng từ nhiệt của vật liệu
• 1.4. Chuyển pha và các tham số tới hạn trong vật liệu từ
• 1.5. Một số mô hình giải thích trật tự sắt từ
• 1.6. Vật liệu từ nhiệt

Tóm tắt

I. Tổng quan về hợp kim Fe Zr và tính chất từ của chúng

Hợp kim Fe-Zr là một trong những vật liệu quan trọng trong nghiên cứu vật liệu từ. Chúng có tính chất từ đặc biệt, bao gồm khả năng từ hóa và hiệu ứng từ nhiệt. Nghiên cứu về hợp kim này không chỉ giúp hiểu rõ hơn về tính chất từ mà còn mở ra nhiều ứng dụng trong công nghệ hiện đại.

1.1. Tính chất từ của hợp kim Fe Zr

Hợp kim Fe-Zr thể hiện tính chất từ mạnh mẽ, với từ độ bão hòa cao. Tính chất này phụ thuộc vào tỷ lệ thành phần và cấu trúc của hợp kim. Nghiên cứu cho thấy rằng sự thay đổi nồng độ Zr có thể làm thay đổi đáng kể tính chất từ của hợp kim.

1.2. Ứng dụng của hợp kim Fe Zr trong công nghệ

Hợp kim Fe-Zr được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử và từ tính. Chúng có thể được sử dụng trong các cảm biến từ, thiết bị lưu trữ năng lượng và các ứng dụng trong công nghệ làm lạnh từ.

II. Thách thức trong nghiên cứu tính chất từ của hợp kim Fe Zr

Mặc dù hợp kim Fe-Zr có nhiều tiềm năng, nhưng việc nghiên cứu và phát triển chúng gặp phải một số thách thức. Các vấn đề như độ ổn định nhiệt, khả năng làm lạnh và hiệu ứng từ nhiệt cần được giải quyết để tối ưu hóa hiệu suất của hợp kim.

2.1. Độ ổn định nhiệt của hợp kim Fe Zr

Độ ổn định nhiệt là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất của hợp kim Fe-Zr. Nghiên cứu cho thấy rằng nhiệt độ Curie của hợp kim này có thể thay đổi theo thành phần, ảnh hưởng đến tính chất từ của chúng.

2.2. Khả năng làm lạnh từ của hợp kim Fe Zr

Khả năng làm lạnh từ của hợp kim Fe-Zr là một trong những yếu tố quyết định đến ứng dụng của chúng trong công nghệ làm lạnh. Nghiên cứu hiện tại đang tập trung vào việc cải thiện khả năng này thông qua việc điều chỉnh thành phần hợp kim.

III. Phương pháp nghiên cứu tính chất từ và hiệu ứng từ nhiệt của hợp kim Fe Zr

Để nghiên cứu tính chất từ và hiệu ứng từ nhiệt của hợp kim Fe-Zr, nhiều phương pháp hiện đại đã được áp dụng. Các phương pháp này bao gồm phân tích nhiễu xạ tia X, đo từ độ và nghiên cứu nhiệt động học.

3.1. Phân tích nhiễu xạ tia X XRD

Phân tích nhiễu xạ tia X là một phương pháp quan trọng để xác định cấu trúc tinh thể của hợp kim Fe-Zr. Phương pháp này giúp xác định các pha và độ tinh khiết của hợp kim, từ đó ảnh hưởng đến tính chất từ của chúng.

3.2. Đo từ độ và hiệu ứng từ nhiệt

Đo từ độ và hiệu ứng từ nhiệt là các phương pháp chính để đánh giá tính chất từ của hợp kim Fe-Zr. Các thí nghiệm này cung cấp thông tin chi tiết về sự thay đổi từ độ theo nhiệt độ và từ trường.

IV. Kết quả nghiên cứu về tính chất từ và hiệu ứng từ nhiệt của hợp kim Fe Zr

Kết quả nghiên cứu cho thấy hợp kim Fe-Zr có hiệu ứng từ nhiệt mạnh mẽ, với khả năng làm lạnh cao. Các thông số như nhiệt độ Curie và độ biến thiên entropy từ cũng được xác định rõ ràng, mở ra nhiều cơ hội ứng dụng trong công nghệ.

4.1. Nhiệt độ Curie và độ biến thiên entropy từ

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng nhiệt độ Curie của hợp kim Fe-Zr có thể điều chỉnh thông qua thành phần hợp kim. Độ biến thiên entropy từ cũng cho thấy sự thay đổi đáng kể, ảnh hưởng đến khả năng làm lạnh từ.

4.2. Hiệu ứng từ nhiệt khổng lồ

Hợp kim Fe-Zr thể hiện hiệu ứng từ nhiệt khổng lồ, cho phép chúng được sử dụng trong các ứng dụng làm lạnh từ hiệu quả. Kết quả này mở ra hướng đi mới cho nghiên cứu và phát triển vật liệu từ.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của nghiên cứu hợp kim Fe Zr

Nghiên cứu về hợp kim Fe-Zr đã chỉ ra nhiều tiềm năng ứng dụng trong công nghệ hiện đại. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều thách thức cần được giải quyết để tối ưu hóa tính chất từ và hiệu ứng từ nhiệt của chúng.

5.1. Tương lai của nghiên cứu hợp kim Fe Zr

Tương lai của nghiên cứu hợp kim Fe-Zr hứa hẹn sẽ mang lại nhiều đột phá trong công nghệ vật liệu từ. Các nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung vào việc cải thiện tính chất từ và khả năng làm lạnh của hợp kim này.

5.2. Ứng dụng trong công nghệ làm lạnh từ

Hợp kim Fe-Zr có tiềm năng lớn trong công nghệ làm lạnh từ, đặc biệt trong các thiết bị điện tử và cảm biến. Việc tối ưu hóa tính chất từ sẽ mở ra nhiều cơ hội mới cho ứng dụng thực tiễn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Hiện nay, năng lượng và môi trường đang là vấn đề quan tâm hàng đầu của các quốc gia. Việc tìm ra các vật liệu tiên tiến tiết kiệm năng lượng, không gây ô nhiễm môi trường và giá thành rẻ đang là vấn đề được đặt ra. Vật liệu từ nhiệt hứa hẹn có thể đáp ứng được những tiêu chí của một vật liệu tiên tiến. Bên cạnh đó, công nghệ làm lạnh bằng từ trường có ưu điểm là tiết kiệm điện năng do nâng cao được hiệu suất làm lạnh (tăng 20 - 40%) so với các máy làm lạnh bằng khí, bảo vệ được môi trường (các loại khí dùng trong các máy làm lạnh thông thường gây ra hiệu ứng nhà kính), không gây tiếng ồn, cấu hình nhỏ gọn và có thể dùng trong một số ứng dụng đặc biệt.

Mặc dù hiệu ứng từ nhiệt (magnetocaloric effect-MCE) đã được phát hiện từ khá lâu (1881) và đã được ứng dụng trong kỹ thuật làm lạnh ở nhiệt độ rất thấp (đến cỡ micro Kelvin), nhưng các vật liệu từ nhiệt mới thực sự được tập trung nghiên cứu gần đây bởi những phát hiện mới cả về cơ chế cũng như độ lớn của hiệu ứng từ nhiệt. Cùng với mục tiêu tiết kiệm năng lượng và bảo về môi trường, việc tìm kiếm các vật liệu từ nhiệt có khả năng ứng dụng trong các máy làm lạnh bằng từ trường ở nhiệt độ phòng đang là một chủ đề thu hút được sự quan tâm nghiên cứu của các nhà khoa học [1-11]. Các vấn đề chính cần được giải quyết để nâng cao khả năng ứng dụng thực tế của vật liệu từ nhiệt là: i) tạo được hiệu ứng từ nhiệt lớn trong khoảng từ trường thấp, bởi các thiết bị dân dụng rất khó tạo ra được từ trường lớn; ii) đưa nhiệt độ chuyển pha từ (nhiệt độ làm việc) của các vật liệu có hiệu ứng từ nhiệt lớn về vùng nhiệt độ phòng; iii) mở rộng vùng làm việc (vùng có hiệu ứng từ nhiệt lớn) cho vật liệu để có thể làm lạnh trong một dải nhiệt độ lớn. Ngoài ra, một số tính chất khác của vật liệu như nhiệt dung, độ dẫn điện, độ dẫn nhiệt, độ bền, giá thành.

Cũng được chú trọng cho việc ứng dụng của loại vật liệu này. Từ quan điểm về mặt ứng dụng, các hợp kim vô định hình (VĐH) nền kim loại chuyển tiếp đã bổ sung được nhiều đặc tính mới để thể hiện là một vật liệu làm lạnh bằng từ trường hữu ích như là giá thành thấp, điện trở suất cao (giảm được mất mát năng lượng do dòng Fuco), khả năng chống chịu ăn mòn cao, các tính chất cơ tốt, giảm độ từ trễ… Trong số các hợp kim từ nhiệt vô định hình được quan tâm 1 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] nghiên cứu thì hệ hợp kim nền Fe-Zr đã và đang được các nhà khoa học vật liệu tập trung nghiên cứu bởi một số lý do như: (1) Fe và Zr là những kim loại có giá thành rẻ; (2) có khả năng cho ứng dụng tốt, khả năng làm lạnh cao và dễ chế tạo; và (3) bằng cách thay đổi tỉ lệ Fe/Zr hoặc tỉ lệ các nguyên tố pha tạp vào hợp kim, có thể dễ dàng điều chỉnh nhiệt độ chuyển pha TC của chúng trong khoảng 260 - 310 K, rất thích hợp cho việc làm lạnh bằng từ trường ở nhiệt độ phòng. Mặc dù đã có rất nhiều các nguyên tố như Ti, Cr, Mn, Co, Ni, B, Gd và Dy đã được pha thêm vào hợp kim nền Fe-Zr. Tuy nhiên chưa có nhiều nghiên cứu về việc pha thêm các nguyên tố đất hiếm Pr, La, Nd.

Bên cạnh đó việc tăng khả năng vô định hình cho các hợp kim cũng là một yêu cầu cần thiết [12-19]. Ở trong nước cũng đã có một số nhóm nghiên cứu quan tâm đến vật liệu từ nhiệt như Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Công nghệ, Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện Khoa học vật liệu… và cũng đã có một số công bố khoa học cả ở trong nước và quốc tế [20-28]. Các nghiên cứu ở trong nước cũng tương đối cập nhật được với tiến trình nghiên cứu trên thế giới. Tuy nhiên do điều kiện thiết bị, kinh phí và nhân lực chưa đầy đủ nên các kết quả nghiên cứu kể cả về mặt cơ bản cũng như ứng dụng còn bị hạn chế.

Do vậy, mối liên quan giữ cấu trúc, tính chất từ, hiệu ứng từ nhiệt và tìm kiếm vật liệu từ nhiệt mới vẫn còn là một vấn đề cần được nghiên cứu sâu rộng hơn. Từ những lý do trên chúng tôi đã chọn đề tài nghiên cứu của luận án là: “Nghiên cứu chế tạo, tính chất từ và hiệu ứng từ nhiệt của hợp kim vô định hình nền Fe -Zr”. Đối tƣợng nghiên cứu của luận án: Các hệ hợp kim vô định hình nền Fe-Zr: Fe-(La,Nd,Pr)-Zr, Fe-(Cr,Cu)- (Nd,Gd,Co)-B-Zr. Mục tiêu của luận án: Nghiên cứu, chế tạo và khảo sát cấu trúc, tính chất từ và hiệu ứng từ nhiệt của hợp kim vô định hình nền Fe-Zr nhằm tìm được các hợp kim có khả năng ứng dụng trong lĩnh vực làm lạnh bằng từ trường ở vùng nhiệt độ phòng.

2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Nội dung nghiên cứu luận án bao gồm: - Chế tạo các hợp kim Fe-(La,Nd,Pr)-Zr, Fe-(Cr,Cu)-(Nd,Gd,Co)-B-Zr có hiệu ứng từ nhiệt lớn. - Nghiên cứu mối liên hệ giữa cấu trúc, tính chất từ và hiệu ứng từ nhiệt của các hợp kim. - Nghiên cứu đưa nhiệt độ làm việc của hợp kim từ nhiệt về vùng nhiệt độ phòng. Phƣơng pháp nghiên cứu: Luận án được tiến hành bằng phương pháp thực nghiệm.

Các mẫu nghiên cứu được chế tạo bằng phương pháp phun băng nguội nhanh. Nghiên cứu cấu trúc của mẫu bằng kỹ thuật nhiễu xạ tia X (XRD). Tính chất từ của vật liệu được khảo sát bằng các phép đo từ trễ và từ nhiệt. Hiệu ứng từ nhiệt được xác định bằng phương pháp gián tiếp thông qua việc xác định từ độ M phụ thuộc vào từ trường H ở các nhiệt độ T khác nhau.

Ý nghĩa khoa học của luận án: Các kết quả nghiên cứu của luận án góp phần tìm kiếm các vật liệu từ nhiệt phục vụ công nghệ làm lạnh bằng từ trường ở vùng nhiệt độ phòng, một công nghệ tiên tiến có khả năng ứng dụng lớn trong thực tế đang được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu rất nhiều. Mối liên hệ giữa hiệu ứng từ nhiệt lớn với các chuyển pha từ, chuyển pha cấu trúc trong các vật liệu từ nhiệt cũng đang là một đối tượng lý thú cho nghiên cứu cơ bản. Bố cục của luận án: Luận án có 123 trang với 11 bảng và 91 hình. Ngoài phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo, luận án được chia thành 4 chương như sau: Chương 1.

Tổng quan về hiệu ứng từ nhiệt trên các hệ hợp kim nguội nhanh Chương 2. Các kỹ thuật thực nghiệm Chương 3. Cấu trúc, tính chất từ và hiệu ứng từ nhiệt của hợp kim nguội nhanh ba thành phần Fe-(La, Nd, Pr)-Zr Chương 4. Cấu trúc, tính chất từ và hiệu ứng từ nhiệt của hợp kim nguội nhanh năm thành phần Fe-(Cr, Cu)-(Nd, Gd, Co)-B-Zr 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Kết quả chính của luận án: Đã nghiên cứu công nghệ và chế tạo thành công các hệ hợp kim: Fe90-xNdxZr10 (x = 1 - 5), Fe90-xPrxZr10 (x = 1 - 3), Fe90-xLaxZr10 (x = 1 - 3), Fe84-xCr2+xB2Co2Zr10 (x = 1 - 5), Fe90-xCoxZr7Cu1B2 (x = 0 - 4), Fe81-xCr4+xB2Nd3Zr10 (x = 1 - 5) và Fe82- xCr4+xB2Gd2Zr10 (x = 1 - 5).

Cấu trúc, tính chất từ và hiệu ứng từ nhiệt của các hợp kim vô định hình nền Fe-Zr đã được khảo sát một cách hệ thống. Cấu trúc của các hệ đều đặc trưng cho cấu trúc tổ hợp vô định hình/nanô tinh thể, trong đó pha vô định hình đóng vai trò chủ yếu. Các mẫu thể hiện tính từ mềm với lực kháng từ rất nhỏ. Nhiệt độ chuyển pha của các hợp kim nền Fe-Zr có thể được điều chỉnh về nhiệt độ phòng bởi nồng độ Pr, La, Nd, Gd, Co, Cu, Cr, B hợp lí.

Biến thiên entropy từ cực đại của một số mẫu hợp kim khá cao (|∆Sm|max > 1,5 J.kg-1K-1 với H = 12 kOe) và dải nhiệt độ hoạt động khá rộng xung quanh nhiệt độ phòng (TFWHM có thể lên tới 100 K). Các thông số tới hạn của các mẫu băng hợp kim thu được phần lớn là gần với các tham số của lí thuyết trường trung bình, đặc trưng cho trật tự sắt từ tương tác xa. Luận án được thực hiện tại Phòng thí nghiệm trọng điểm Vật liệu và linh kiện điện tử và Phòng Vật lý Vật liệu Từ và Siêu dẫn, Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HIỆU ỨNG TỪ NHIỆT TRÊN CÁC HỆ HỢP KIM NGUỘI NHANH 1.

Hiệu ứng từ nhiệt 1. Cơ sở nhiệt động học của hiệu ứng từ nhiệt Hiệu ứng từ nhiệt (Magnetocaloric Effect-MCE) là sự thay đổi nhiệt độ (bị đốt nóng hay làm lạnh) của vật liệu từ dưới tác dụng của từ trường ngoài (hình 1. Bản chất của hiện tượng này là sự thay đổi entropy từ của hệ do sự tương tác của các phân mạng từ với từ trường ngoài. Hiệu ứng này thể hiện trong tất cả các vật liệu từ.

Nó biểu hiện mạnh hay yếu thì tùy thuộc vào Hình 1. Mô phỏng về hiệu ứng từ nhiệt. bản chất của từng loại vật liệu. Nguyên nhân gây ra MCE có thể được hiểu như sau.

Xét một vật liệu từ, entropy của nó được coi như là một tổng của ba sự đóng góp: S(T, H) = Sm(T, H) + SL(T, H) + Se(T, H) (1.1) Trong đó: Sm là entropy liên quan đến trật tự từ (entropy từ), SL là entropy liên quan đến nhiệt độ của hệ (entropy mạng) và Se là entropy liên quan đến trạng thái của điện tử (entropy điện tử). Thường thì Se là bé có thể bỏ qua và không ảnh hưởng bởi từ trường. Cũng giống như quá trình nén khí thông thường, trong quá trình từ hóa, 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 từ của hệ.

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 từ. Quá trình 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] này làm cho vật từ bị nóng lên. Ngược lại, nếu ta khử từ (đoạn nhiệt), các moment từ sẽ bị quay trở lại trạng thái bất trật tự, dẫn đến việc tăng entropy từ. Do đó, entropy của mạng tinh thể bị giảm và vật từ bị lạnh đi (hình 1.