Nghiên cứu vật liệu từ nhiệt NaZn13: Chế tạo, tính chất vật lý và ứng dụng

LỜI CAM ĐOAN

1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1. Cơ sở nhiệt động học của hiệu ứng từ nhiệt

1.2. Các phương pháp xác định hiệu ứng từ nhiệt

1.3. Cơ chế chuyển pha trong vật liệu có hiệu ứng từ nhiệt lớn

1.3.1. Chuyển pha có sự thay đổi cấu trúc và chuyển pha không có sự thay đổi cấu trúc

1.3.2. Chuyển pha loại 1 và chuyển pha loại 2. Chuyển pha từ giả bền

1.4. Sự phát triển của vật liệu từ nhiệt

1.4.1. Hợp kim Gd-Si-Ge

1.4.2. Hợp kim từ nhiệt có cấu trúc vô định hình

1.4.3. Hợp kim Heusler

1.4.4. Vật liệu từ nhiệt có cấu trúc Perovskite. Hệ hợp kim từ nhiệt La(Fe1-xMx)13

1.5. Kết luận

2. CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM

2.1. Phương pháp chế tạo mẫu

2.1.1. Phương pháp nấu chảy hồ quang

2.1.2. Phương pháp chế tạo mẫu băng

2.2. Phương pháp xử lý nhiệt

2.3. Phương pháp phân tích

2.3.1. Nhiễu xạ tia X

2.3.2. Hệ đo tính chất từ

2.3.3. Hệ thiết bị đo tính chất điện

2.4. Kết luận chương 2

3. CHƯƠNG 3: CẤU TRÚC, TÍNH CHẤT TỪ VÀ HIỆU ỨNG TỪ NHIỆT CỦA HỆ HỢP KIM La(Fe1-xSix)13 (x = 0,12, 0,14, 0,15, 0,18 và 0,21)

3.1. Cấu trúc tinh thể, tính chất từ và hiệu ứng từ nhiệt của hợp kim La(Fe1-xSix)13 (x = 0,12, 0,14, 0,15, 0,18 và 0,21)

3.1.1. Cấu trúc tinh thể của hợp kim La(Fe1-xSix)13 (x = 0,12 - 0,21)

3.1.2. Ảnh hưởng của nồng độ Si lên tính chất từ và hiệu ứng từ nhiệt của hệ hợp kim La(Fe1-xSix)13

3.1.3. Cấu trúc, tính chất từ và hiệu ứng từ nhiệt của hợp kim La(Fe0,88Si0,12)13 dạng khối và băng trong từ trường thấp

3.1.3.1. Cấu trúc tinh thể

3.1.3.2. Tính chất từ của mẫu hợp kim La(Fe0,88Si0,12)13 dạng khối và dạng băng trong từ trường thấp

3.2. Kết luận chương 3

4. CHƯƠNG 4: CẤU TRÚC, TÍNH CHẤT TỪ VÀ HIỆU ỨNG TỪ NHIỆT CỦA HỢP KIM La1-yRy(Fe0,88Si0,12)13 (R= Ce, Y, Sm, Tb, Ho, Yb)

4.1. Hệ hợp kim La1-yCey(Fe0,88Si0,12)13 (y = 0,0 – 0,3)

4.1.1. Cấu trúc tinh thể, tính chất từ của hợp kim La1-yCey(Fe0,88Si0,12)13 (y =0,0 – 0,3)

4.1.2. Hiệu ứng từ nhiệt của hệ hợp kim La1-yCey(Fe0,88Si0,12)13 (y =0,0 – 0,3)

4.2. Hệ hợp kim La0,8R0,2(Fe0,88Si0,12)13 (R = Y, Sm, Tb, Ho, Yb)

4.2.1. Cấu trúc tinh thể, tính chất từ của hệ hợp kim La0,8R0,2(Fe0,88Si0,12)13 (R = Y, Sm, Tb, Ho, Yb)

4.2.2. Hiệu ứng từ nhiệt của hệ hợp kim La0,8R0,2(Fe0,88Si0,12)13 (R = Y, Sm, Tb, Ho, Yb)

4.3. Kết luận chương 4

5. CHƯƠNG 5: CẤU TRÚC, HIỆU ỨNG TỪ NHIỆT VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA ÁP SUẤT LÊN TÍNH CHẤT TỪ TRONG HỆ HỢP KIM DƯ La La1+δ(Fe0,85Si0,15)13 (δ = 0,03; 0,06 và 0,09)

5.1. Cấu trúc tinh thể của hợp kim La1+δ(Fe0,85Si0,15)13 (δ = 0,03 0,06 và 0,09)

5.2. Tính chất từ của hợp kim La1+δ (Fe0,85Si0,15)13 (δ = 0,03, 0,06 và 0,09)

5.3. Kết luận chương 5

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ

TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Vật liệu từ nhiệt NaZn13 Tổng quan và tiềm năng ứng dụng

Hiệu ứng từ nhiệt (MCE) là sự thay đổi nhiệt độ của vật liệu dưới tác dụng của từ trường. Đây là một đột phá trong công nghệ làm lạnh, hứa hẹn thay thế các phương pháp nén khí truyền thống. Vật liệu có MCE lớn, đặc biệt là các hợp kim nền sắt pha tạp đất hiếm như La(Fe,Si)13, hợp kim Heusler, và một số hệ Perovskites, đang được nghiên cứu rộng rãi. Ưu điểm của chúng bao gồm nhiệt độ chuyển pha cao, có thể điều chỉnh được, chuyển pha sắc nét và mô men từ lớn. Mục tiêu là tìm kiếm vật liệu từ nhiệt tốt, có giá trị MCE lớn với biến thiên từ trường nhỏ, độ trễ từ thấp, dẫn nhiệt tốt và giá thành hợp lý. Các nghiên cứu tập trung vào hệ R-T (R = đất hiếm, T = kim loại chuyển tiếp) với cấu trúc lập phương loại NaZn13 cho thấy nhiều hứa hẹn. Theo nghiên cứu của Vương Văn Hiệp, việc phát triển các phương pháp công nghệ đa dạng đã cho phép sáng tạo ra các vật liệu không chỉ ở dạng khối mà còn ở dạng băng bằng công nghệ nguội nhanh [56]. Luận án này tập trung nghiên cứu, chế tạo và khảo sát định lượng một số tính chất vật lý của các hệ hợp kim nền Fe có thành phần LaR(Si,Fe)13 (R là đất hiếm) 1 dạng khối và băng nhằm tìm kiếm vật liệu tối ưu có MCE lớn trong vùng gần nhiệt độ phòng.

1.1. Hiệu ứng từ nhiệt MCE Cơ sở vật lý và tầm quan trọng

Hiệu ứng từ nhiệt (MCE) là hiện tượng thay đổi nhiệt độ của vật liệu khi áp dụng hoặc loại bỏ từ trường. Sự thay đổi này liên quan đến biến thiên entropy từ trong vật liệu. Đây là cơ sở cho công nghệ làm lạnh từ, một giải pháp thay thế thân thiện với môi trường và hiệu quả hơn so với các phương pháp làm lạnh truyền thống. Nghiên cứu MCE tập trung vào việc tìm kiếm và phát triển các vật liệu có hiệu ứng lớn, đặc biệt ở nhiệt độ gần phòng, để ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị làm lạnh.

1.2. Cấu trúc NaZn13 Đặc điểm và vai trò trong vật liệu từ nhiệt

Cấu trúc NaZn13 là một cấu trúc lập phương đặc biệt, được tìm thấy trong một số hợp kim từ nhiệt. Cấu trúc này tạo điều kiện cho các tính chất từ độc đáo và hiệu ứng từ nhiệt mạnh mẽ. Nghiên cứu về cấu trúc NaZn13 giúp hiểu rõ hơn về mối quan hệ giữa cấu trúc và tính chất của vật liệu, từ đó mở ra cơ hội thiết kế và phát triển các vật liệu từ nhiệt hiệu quả hơn. Cấu trúc này có các tính chất cơ, nhiệt, điện và đặc biệt là những tính chất từ rất lý thú.

II. Thách thức chế tạo vật liệu từ nhiệt NaZn13 hiệu suất cao

Việc tìm kiếm vật liệu từ nhiệt tốt để ứng dụng trong làm lạnh từ đặt ra nhiều thách thức. Vật liệu lý tưởng cần có hiệu ứng từ nhiệt lớn với biến thiên từ trường nhỏ, độ trễ từ thấp, dẫn nhiệt tốt và giá thành hợp lý. Các hợp kim nền sắt pha tạp đất hiếm như La(Fe,Si)13 hứa hẹn, nhưng việc kiểm soát thành phần, cấu trúc và xử lý nhiệt để tối ưu hóa tính chất vẫn là một bài toán khó. Chế tạo vật liệu ở dạng băng bằng công nghệ nguội nhanh mở ra khả năng cải thiện hiệu suất, nhưng cũng đòi hỏi kỹ thuật cao. Theo các nghiên cứu, việc điều chỉnh nhiệt độ Curie và tối ưu hóa cấu trúc tinh thể là những yếu tố then chốt để đạt được hiệu suất làm lạnh tối đa. Một số nghiên cứu trên hệ R-T (R = đất hiếm, T = kim loại chuyển tiếp) có thành phần giàu kim loại chuyển tiếp dựa trên hệ hai nguyên LaT13 với cấu trúc lập phương loại NaZn13.

2.1. Kiểm soát thành phần và cấu trúc Yếu tố then chốt của NaZn13

Việc kiểm soát chính xác thành phần hóa học và cấu trúc tinh thể là cực kỳ quan trọng để đạt được tính chất từ nhiệt mong muốn trong vật liệu NaZn13. Sự thay đổi nhỏ trong thành phần có thể ảnh hưởng lớn đến nhiệt độ Curie và độ lớn của hiệu ứng từ nhiệt. Các phương pháp chế tạo tiên tiến, như luyện kim cơ học và phun nguội nhanh, được sử dụng để tạo ra vật liệu có cấu trúc đồng nhất và kiểm soát được kích thước hạt.

2.2. Tối ưu hóa xử lý nhiệt Nâng cao hiệu suất vật liệu từ nhiệt NaZn13

Xử lý nhiệt đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện tính chất từ nhiệt của vật liệu NaZn13. Quá trình ủ nhiệt có thể loại bỏ các ứng suất dư, điều chỉnh cấu trúc tinh thể và tăng cường tính đồng nhất của vật liệu. Nhiệt độ và thời gian ủ cần được tối ưu hóa cẩn thận để đạt được hiệu suất làm lạnh từ cao nhất. Theo nghiên cứu của Vương Văn Hiệp, việc phát triển các phương pháp công nghệ đa dạng đã cho phép sáng tạo ra các vật liệu không chỉ ở dạng khối mà còn ở dạng băng bằng công nghệ nguội nhanh [56].

III. Phương pháp chế tạo và phân tích vật liệu từ nhiệt NaZn13

Nghiên cứu vật liệu từ nhiệt NaZn13 đòi hỏi các phương pháp chế tạo và phân tích tiên tiến. Chế tạo mẫu thường bao gồm nấu chảy hồ quang và phun băng nguội nhanh để tạo ra vật liệu có cấu trúc mong muốn. Xử lý nhiệt là bước quan trọng để ổn định cấu trúc và tối ưu hóa tính chất. Các phương pháp phân tích như nhiễu xạ tia X (XRD) được sử dụng để xác định cấu trúc tinh thể, trong khi từ kế mẫu rung (VSM) và giao thoa kế lượng tử siêu dẫn (SQUID) được dùng để đo tính chất từ. Hiệu ứng từ nhiệt thường được xác định gián tiếp thông qua các phép đo đường cong từ hóa M(H) tại vùng nhiệt độ chuyển pha. Tính chất điện cũng được nghiên cứu để hiểu rõ hơn về mối liên hệ giữa cấu trúc, tính chất điện và hiệu ứng từ nhiệt.

3.1. Kỹ thuật chế tạo NaZn13 Nấu chảy hồ quang và phun nguội nhanh

Phương pháp nấu chảy hồ quang được sử dụng để tạo ra hợp kim NaZn13 đồng nhất từ các nguyên tố thành phần. Quá trình này diễn ra trong môi trường khí trơ để ngăn chặn quá trình oxy hóa. Sau đó, kỹ thuật phun nguội nhanh được áp dụng để tạo ra vật liệu ở dạng băng, giúp cải thiện tính chất từ và hiệu ứng từ nhiệt. Công nghệ này cho phép tạo ra vật liệu không chỉ ở dạng khối mà còn ở dạng băng. Mục tiêu của luận án: Luận án bao gồm 3 mục tiêu chính như sau: - Nghiên cứu cấu trúc, tính chất từ và hiệu ứng từ nhiệt của hợp kim hai nguyên, có cấu hình tối ưu La(Fe0,88Si0,12)13 dạng khối và băng.

3.2. Phân tích XRD và VSM SQUID Đánh giá tính chất NaZn13

Nhiễu xạ tia X (XRD) là công cụ quan trọng để xác định cấu trúc tinh thể và pha của vật liệu NaZn13. Phân tích XRD giúp xác định sự có mặt của các pha mong muốn, kích thước hạt và các khuyết tật trong cấu trúc. Từ kế mẫu rung (VSM) và giao thoa kế lượng tử siêu dẫn (SQUID) được sử dụng để đo các tính chất từ, như từ độ, nhiệt độ Curie và hiệu ứng từ nhiệt.

IV. Ứng dụng vật liệu NaZn13 trong công nghệ làm lạnh từ

Ứng dụng chính của vật liệu từ nhiệt NaZn13 là trong công nghệ làm lạnh từ. So với các phương pháp làm lạnh truyền thống, làm lạnh từ hứa hẹn hiệu suất cao hơn và thân thiện với môi trường hơn. Vật liệu NaZn13 có tiềm năng được sử dụng trong các thiết bị làm lạnh dân dụng, công nghiệp và các ứng dụng chuyên biệt như hóa lỏng khí. Tuy nhiên, cần tiếp tục nghiên cứu để cải thiện tính chất, giảm giá thành và phát triển các thiết bị làm lạnh từ hiệu quả, thương mại. Cần tìm kiếm vật liệu tối ưu có MCE lớn trong vùng gần nhiệt độ phòng.

4.1. Tiềm năng của NaZn13 trong thiết bị làm lạnh dân dụng

Vật liệu từ nhiệt NaZn13 có tiềm năng lớn trong việc thay thế các chất làm lạnh truyền thống trong các thiết bị dân dụng như tủ lạnh và điều hòa không khí. Với hiệu suất cao và không gây ô nhiễm môi trường, làm lạnh từ sử dụng NaZn13 có thể mang lại lợi ích kinh tế và môi trường đáng kể. Việc phát triển các thiết bị làm lạnh từ nhỏ gọn và hiệu quả là một mục tiêu quan trọng.

4.2. Ứng dụng NaZn13 trong công nghiệp và hóa lỏng khí

Ngoài các ứng dụng dân dụng, vật liệu NaZn13 còn có thể được sử dụng trong các thiết bị làm lạnh công nghiệp và các hệ thống hóa lỏng khí. Các ứng dụng này đòi hỏi hiệu suất làm lạnh cao và độ tin cậy. Việc nghiên cứu và phát triển các vật liệu NaZn13 có tính chất đặc biệt cho các ứng dụng này là rất quan trọng.

V. Nghiên cứu ảnh hưởng của phụ gia và áp suất lên NaZn13

Các nghiên cứu đã tập trung vào việc điều chỉnh thành phần, đặc biệt là thay thế La bằng các nguyên tố đất hiếm khác như Ce, Y, Sm, Tb, Ho, và Yb, để điều chỉnh nhiệt độ Curie (TC) và hiệu ứng từ nhiệt. Các tác động của các nguyên tố đất hiếm khác nhau đối với cấu trúc, từ tính và hiệu ứng từ nhiệt của La(Fe,Si)13 đã được nghiên cứu rộng rãi. Ngoài ra, ảnh hưởng của áp suất lên cấu trúc, từ tính và hiệu ứng từ nhiệt của hợp kim giàu La La1+δ(Fe,Si)13 (δ = 0,03; 0,06 và 0,09) cũng đã được khám phá.

5.1 Thay đổi hợp chất từ nhiệt vai trò của các nguyên tố khác

Thay thế La bằng các nguyên tố đất hiếm khác như Ce, Y, Sm, Tb, Ho, và Yb để điều chỉnh nhiệt độ Curie (TC) và hiệu ứng từ nhiệt. Ví dụ, việc thay thế La bằng Ce cho thấy sự giảm nhiệt độ Curie, cho thấy một phương pháp để điều chỉnh các đặc tính từ tính của vật liệu. Các tác động của các nguyên tố đất hiếm khác nhau đối với cấu trúc, từ tính và hiệu ứng từ nhiệt của La(Fe,Si)13 đã được nghiên cứu rộng rãi.

5.2. Ảnh hưởng của áp suất lên cấu trúc và từ tính của NaZn13

Nghiên cứu ảnh hưởng của áp suất lên cấu trúc, từ tính và hiệu ứng từ nhiệt của hợp kim giàu La La1+δ(Fe,Si)13 (δ = 0,03; 0,06 và 0,09) để hiểu rõ hơn về khả năng điều chỉnh các tính chất này. Nghiên cứu sâu hơn về phản ứng của vật liệu với áp suất có thể giúp hiểu rõ hơn về mối quan hệ giữa cấu trúc và tính chất của vật liệu, có khả năng dẫn đến những cải tiến trong hiệu suất và ứng dụng của chúng.

VI. Vật liệu từ nhiệt NaZn13 Triển vọng và hướng phát triển

Nghiên cứu vật liệu từ nhiệt NaZn13 đang tiếp tục phát triển, với mục tiêu tạo ra các vật liệu có hiệu suất cao hơn, giá thành thấp hơn và thân thiện với môi trường hơn. Các hướng nghiên cứu bao gồm tối ưu hóa thành phần, cấu trúc và quy trình chế tạo, cũng như khám phá các ứng dụng mới trong các lĩnh vực khác nhau. Với những ưu điểm vượt trội, NaZn13 hứa hẹn đóng vai trò quan trọng trong tương lai của công nghệ làm lạnh.

6.1. Tối ưu hóa vật liệu hướng đi tiềm năng cho NaZn13

Các hướng nghiên cứu bao gồm tối ưu hóa thành phần, cấu trúc và quy trình chế tạo, cũng như khám phá các ứng dụng mới trong các lĩnh vực khác nhau. Việc phát triển các hệ thống làm lạnh từ hiệu quả và bền vững sẽ đóng góp vào việc giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường và tiết kiệm năng lượng.

6.2. Cơ hội và thách thức trong ứng dụng vật liệu NaZn13

Với những ưu điểm vượt trội, NaZn13 hứa hẹn đóng vai trò quan trọng trong tương lai của công nghệ làm lạnh. Việc thương mại hóa thành công công nghệ làm lạnh từ sử dụng NaZn13 sẽ mang lại lợi ích to lớn cho xã hội và môi trường. Với công nghệ làm lạnh từ hiệu quả và bền vững sẽ đóng góp vào việc giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường và tiết kiệm năng lượng.

CHẾ TẠO, NGHIÊN CỨU MỘT SỐ TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA HỆ VẬT LIỆU TỪ NHIỆT LOẠI NaZn13