THUYẾT MINH ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ

VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU
THUYẾT MINH ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU
KHOA HỌC VÀ PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ
PHẦN I. THÔNG TIN CHUNG VỀ ĐỀ TÀI
1. Tên đề tài: Nghiên cứu hiệu ứng từ nhiệt lớn trên một số hợp kim Heusler và nguội
nhanh.
2. Thời gian thực hiện: 12 tháng
3. Kinh phí:
- Tổng số: 50 triệu đồng.
- Trong đó từ nguồn ngân sách SNKH: 50 triệu đồng.
4. Chủ nhiệm đề tài:
- Họ và tên, Học hàm, học vị: Nguyễn Huy Dân, PGS.TS.
- Chức vụ: Phó giám đốc PTNTĐ
- Điện thoại: 04.37567155; Email:
- Địa chỉ cơ quan: 18 Hoàng Quốc Việt, Cầu Giấy, Hà Nội
- Các đề tài/dự án đã chủ trì/tham gia trong 5 năm gần đây (từ 2006)
STT Tên đề tài/dự án
Cấp quản lý/
Cơ quan chủ
trì
Thời gian/
Kinh phí
(tháng/triệu
đồng)
Trách nhiệm
trong đề tài/
dự án
và số tháng
làm việc
Thời gian
nghiệm

thu và kết
quả đánh
giá
1
Thử nghiệm chế tạo các
nam châm kết dính Nd-Fe-
B dùng trong trong các
thiết bị nhỏ
Cấp cơ sở/Viện
KHVL
12/40 Chủ nhiệm/6 2007/Đạt
2
Nghiên cứu chế tạo vật
liệu từ cứng mới có cấu
trúc nanomet bằng phương
pháp nguội nhanh và
nghiền cơ năng lượng cao
Cấp cơ sở/Viện
KHVL
12/40 Chủ nhiệm/6 2008/Đạt
3
Nghiên cứu qui trình công
nghệ pha tạp và ảnh
hưởng của tạp chất lên
tính chất từ của nam châm
Nd-Fe-B
Cấp cơ sở/Viện
KHVL
12/50 Chủ nhiệm/6 2009/Đạt
1

4
Xây dựng hệ thiết bị dùng
để xác định nồng độ và
hiệu suất xử lý một số loại
khí độc
Cấp Viện
KHCNVN/Viện
KHVL
24/500
Chủ
nhiệm/12
2010/Đạt
5
Nghiên cứu công nghệ
chế tạo vàng trắng hệ Ni
chất lượng cao
Cấp Viện
KHCNVN/Viện
KHVL
24/350 Tham gia/6 2010/Đạt
6
Chế tạo nam châm vĩnh
cửu NdFeB quy mô bán
công nghiệp, tích năng
lượng từ 35 MGOe
Cấp cơ sở/Viện
KHVL
12/90 Chủ nhiệm/6 2010/Đạt
PHẦN II. NỘI DUNG KHCN CỦA ĐỀ TÀI
5. Mục tiêu của đề tài: Nghiên cứu công nghệ và cơ chế hiệu ứng từ nhiệt lớn của các

hợp kim Heusler và nguội nhanh nhằm chế tạo được các hợp kim từ nhiệt có khả năng
ứng dụng trong lĩnh vực làm lạnh bằng từ trường.
6. Tình hình nghiên cứu trong nước và ngoài nước:
Hiệu ứng từ nhiệt (MagnetoCaloric Effect-MCE) được quan tâm nghiên cứu bởi
chúng có thể ứng dụng trong lĩnh vực làm lạnh bằng từ trường. Việc làm lạnh bằng từ
trường dựa trên nguyên lý từ trường làm thay đổi entropy của vật liệu (hình 1). Để
hiệu suất làm lạnh bằng phương pháp này lớn thì hiệu ứng từ nhiệt của vật liệu càng
phải lớn (có biến thiên entropy từ ∆S
M
và thay đổi nhiệt độ đoạn nhiệt ∆T
ad
lớn).
Hình 1. Giản đồ mô tả chu trình làm lạnh bằng từ trường và bằng khí [1].
2
Việc ứng dụng vật liệu từ nhiệt trong các máy làm lạnh có ưu điểm là không gây ra ô
nhiễm môi trường như các máy lạnh dùng khí, có khả năng nâng cao được hiệu suất
làm lạnh (tiết kiệm được năng lượng), có thể thiết kế nhỏ gọn, không gây tiếng ồn và
có thể dùng trong một số ứng dụng đặc biệt.
Hiệu ứng từ nhiệt 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). Tuy vậy, các vật liệu từ
nhiệt mới thực sự được quan tâm tập trung nghiên cứu gần đây bởi những phát hiện
mới cả về cơ chế cũng như độ lớn của hiệu ứng từ nhiệt. Hiệu ứng từ nhiệt trước đây
được coi là gắn liền với chuyển pha bậc hai. Về sau, hiệu ứng từ nhiệt lớn (Giant
MagnetoCaloric Effect-GMCE) lại được quan sát thấy xảy ra với chuyển pha bậc
nhất. Các vật liệu mới được chế tạo với ∆S
M
ngày càng được nâng cao. Cùng với mục
tiêu tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường, việc tìm kiếm các vật vật liệu từ nhiệt
có khả năng ứng dụng trong các máy làm lạnh bằng từ trường ở vùng nhiệt độ phòng
ngày càng được quan tâm nghiên cứu. Rất nhiều kết quả nghiên cứu về vật liệu từ

nhiệt được công bố trên các tạp chí khoa học hàng đầu thể giới trong thời gian gần
đây [2-9].
Hình 2. Thiết bị làm lạnh bằng từ truờng ở vùng nhiệt độ phòng được chế tạo bởi hãng
Astronautic Corporation (a) và Chubu-Toshiba (b) [1].
3
Đáng chú ý là các kết quả nghiên về hợp kim từ nhiệt chứa Gd (ví dụ như Gd
5
(Si
x
Ge
1
− x
), hay Gd
1 − x
Co
x
), kể từ năm 1997, đã cho thấy khả năng ứng dụng rộng rãi của công
nghệ làm lạnh bằng từ trường [10-11]. Một số thiết bị làm lạnh bằng từ trường đã
được thử nghiệm chế tạo với các hợp kim từ nhiệt chứa Gd (xem hình 2 và bảng 1).
Tuy nhiên, các hợp kim chứa Gd có giá thành rất đắt do khan hiếm nguyên liệu cùng
với công nghệ chế tạo khắt khe. Mặt khác, các hợp kim này cũng còn chưa thỏa đáng
cho một số yêu cầu khác như độ bền, độ dẫn nhiệt
Bảng 1. Các thông số của một số máy làm lạnh ở vùng nhiệt độ phòng sử dụng
vật liệu từ nhiệt chứa Gd [1].
Viện nghiên
cứu/Công ty
Địa điểm
Thời
gian
Kiểu

máy
Công
suất
(W)
ΔT
(K)
Từ
trường
(T)
Dạng vật liệu từ
nhiệt
Ames
Laboratory/Astr
onautics
Iowa/Madison,
Wisconsin, USA
1997 Đẩy kéo 600 10 5 (S) Gd khối
Mater. Science
Institute
Barcelona
Barcelona, Spain 2000 Quay - 5 0.95 (P) Gd lá
Chubu
Electric/Toshiba
Yokohama,
Japan
2000 Đẩy kéo 100 21 4 (S) Gd khối
University of
Victoria
Columbia
Canada

2001 Đẩy kéo 2 14 2 (S) Gd & Gd
1−x
Tb
x
lá
Astronautics Wisconsin, USA 2001 Quay 95 25 1.5 (P) Gd khối
Sichuan Inst.
Tech./Nanjing
University
Nanjing, China 2002 Đẩy kéo - 23 1.4 (P)
Gd khối,
Gd
5
Si
1.985
Ge
1.985
Ga
0.03
bột
Chubu
Electric/Toshiba
Yokohama,
Japan
2002 Đẩy kéo 40 27 0.6 (P) Gd
1−x
Dy
x
lá
Chubu

Electric/Toshiba
Yokohama,
Japan
2003 Quay 60 10 0.76 (P) Gd
1−x
Dy
x
lá
Lab.
d’Electrotechniq
ue Grenoble
Grenoble,
France
2003 Đẩy kéo 8.8 4 0.8 (P) Gd lá
George
Washington
University
USA 2004 Đẩy kéo - - - (P) Gd lá
Astronautics Wisconsin, USA 2004 Quay 95 25 1.5 (P) Gd và GdEr khối
University of
Victoria
Columbia
Canada
2006 Đẩy kéo 15 50 2 (S)
Gd, Gd
0.74
Tb
0.26
và
Gd

0.85
Er
0.15
khối
Ngoài các hợp kim chứa Gd, một số loại vật liệu từ nhiệt khác cũng đang được quan
tâm nghiên cứu cả về cơ chế cũng như khả năng ứng dụng. Chẳng hạn như các họ vật
liệu từ nhiệt RM
2
(trong đó: R = Lantanite M = Al, Co và Ni), các hợp kim chứa As
[Mn(As
1-x
Sb
x
), MnFe(P
1-x
As
x
)], các hợp kim chứa La [La(Fe
13-x
Si
x
), La(Fe,Si)
13
], hợp
4
kim Heusler (Co
2
TiSi, Co
2
TiGe, NiMnGa ), hợp kim nguội nhanh nền Fe và Mn, các

maganite perovskite sắt từ (R
1-x
M
x
MnO
3
, trong đó: R = La, Nd, Pr và M = Ca, Sr,
Ba) [12-23]. Các bảng 2- 4 cho thấy hợp phần và các thông số về cấu trúc và tính
chất của một số số loại vật liệu từ nhiệt được quan tâm nghiên cứu gần đây.
Bảng 2. Hợp phần và các thông số từ nhiệt của một số hợp kim chứa Gd, As và Mn.
Hợp kim Thành phần
∆H (T)
T
c
(K)
∆S
M
(J.kg
-1
.K
-1
)
Gd
5
Si
2-z
Ge
2-z
R
2z

R = Mn
z = 0,010 5,0 297 6,40
z = 0,025 5,0 297 6,36
z = 0,040 5,0 297 6,30
z = 0,050 5,0 297 6,10
z = 0,100 5,0 297 5,30
z = 0,070 5,0 297 5,00
R = Co
z = 0,015 5,0 297 6,30
z = 0,025 5,0 297 6,10
z = 0,065 5,0 297 7,10
R = Ga
z = 0,010 5,0 297 6,50
z = 0,020 5,0 297 6,00
z = 0,050 5,0 297 5,60
R = B
z = 0,015 5,0 297 7,00
z = 0,025 5,0 297 6,25
z = 0,040 5,0 297 6,60
z = 0,050 5,0 297 6,90
Gd
5
Si
2-x
Ge
2-x
Sn
2x
x = 0,050 1,8 308 6,50
x = 0,100 1,8 294 12,8

x = 0,150 1,8 288 11,4
x = 0,200 1,8 283 12,2
x = 0,250 1,8 269 16,7
x = 0,500 1,8 251 15,9
Gd
5
Ge
1,9
Si
2
Fe
0,1
5,00 305 7,00
Mn
1-t
(Ti
0,5
V
0,5
)
t
As
t = 0
2,00
313,7
68,0
5,00 78,0
t = 0,025
2,00
301,6

15,0
5,00 36,0
t = 0,050
2,00
291,0
9,0
5,00 22,0
t = 0,100
2,00
266,8
30,0
5,00 44,0
t = 0,150
2,00
260,0
23,0
5,00 27,0
t = 0,200
2,00
272,6
3,0
5,00 7,0
Ni
55,4
Mn
20,0
Ga
24,6
1,00 313,5 17,0
2,00 313,5 40,1

3,00 313,5 60,1
5
4,00 313,5 77,0
5,00 313,5 85,8
∆H: khoảng từ trường biến đổi (đơn vị: Tesla)
T
C
: Nhiệt độ Curie (đơn vị: Kelvin)
∆S
M
: Biến thiên entropy từ (đơn vị: J.kg
-1
.K
-1
)
Bảng 3. Các thông số từ và cấu trúc của một số hợp phần liên kim loại nền Mn của các
loại cấu trúc tinh thể khác nhau.
Hợp phần Loại cấu
trúc
Nhóm không
gian
T
c
(K)
M
s
(µ
B
/3d
at.) at 5 K

∆S (J/kg.K)
MnFe
1-x
Co
x
Ge
x = 0 Ni
2
In P6
3
/mmc 153 0,97 1,6
x = 0,1 Ni
2
In P6
3
/mmc 173 0,97 1,8
x = 0,2 Ni
2
In P6
3
/mmc 209 1,13 2,5
x = 0,3 Ni
2
In P6
3
/mmc 220 1,13 2,9
x = 0,4 Ni
2
In P6
3

/mmc 223 1,20 3,2
x = 0,5 Ni
2
In P6
3
/mmc 228 1,30 3,5
x = 0,6 Ni
2
In P6
3
/mmc 242 1,51 2,9
x = 0,7 Ni
2
In P6
3
/mmc 249 1,55 4,0
x = 0,8 Ni
2
In P6
3
/mmc 289 2,34 9,0
x = 0,85 Ni
2
In Pnma 306 1,97 5,3
x = 0,9 TiNiSi Pnma 340 2,05 5,7
x = 1 TiNiSi Pnma 345 2,06 6,1
Mn
5
Ge
3-x

Si
x
x = 0,5 Mn
5
Si
3
P6
3
/mmc 298 2,56 7,8
x = 1,0 Mn
5
Si
3
P6
3
/mmc 283 2,52 7,6
x = 1,5 Mn
5
Si
3
P6
3
/mmc 258 2,46 6,9
x = 2,0 Mn
5
Si
3
P6
3
/mmc 198 2,36 6,8

Mn
5
Ge
3-x
Sb
x
x = 0 Mn
5
Si
3
P6
3
/mmc 298 2,64 9,3
x = 0,1 Mn
5
Si
3
P6
3
/mmc 304 2,63 6,6
x = 0,2 Mn
5
Si
3
P6
3
/mmc 307 2,60 6,2
x = 0,3 Mn
5
Si

3
P6
3
/mmc 312 2,40 5,6
LaMn
2-x
Fe
x
Ge
2
x = 0,10 ThCr
2
Si
2
mmmI /4
310 1,2 1,02
b
x = 0,15 ThCr
2
Si
2
mmmI /4
295 1,2 0,93
b
x = 0,20 ThCr
2
Si
2
mmmI /4
275 1,2 0,88

b
(Fe
1-x
Mn
x
)C
x = 0,1 Fe
3
C Pnma 305 1,39 3,4
x = 0,2 Fe
3
C Pnma 109 0,62 1,8
x = 0,3 Fe
3
C Pnma 31 0,22 1,3
Mn
3-x
Co
x
GaC
x = 0,0 CaTiO
3
mPm3
- - 15
x = 0,03 CaTiO
3
mPm3
- - 14
x = 0,05 CaTiO
3

mPm3
- - 13
MnAs NiAs
a
P6
3
/mmc 318 3,4 30
Mn
1-
δ
As
0,75
Sb
0,25
6
δ = 0,0
NiAs P6
3
/mmc 232 3,7 14
c
δ = 0,03
NiAs P6
3
/mmc 227 3,3 17
c
δ = 0,05
NiAs P6
3
/mmc 204 3,2 14
c

Các giá trị của |∆S| đúng với sự thay đổi của từ trường ∆B = 5T.
a loại cấu trúc MnP ở giai đoạn nhiệt độ cao.
b ∆B = 1,8 T.
c ∆B = 1,0 T.
Bảng 4: Các tính chất từ nhiệt, tính chất từ và cấu trúc của các hợp kim Heusler nền Mn
và các hợp phần liên kim loại với cấu trúc Fe
2
P.
Hợp phần Loại cấu
trúc
Nhóm
không
gian
T
c
(K)
M
s
(µ
B
/3d at.)
at 5 K
∆S (J/kg.K)
Fe
2
MnSi
0,5
Ge
0,5
BiF

3
Fm3m 260 0,93 1,7
Ni
52,9
Mn
22,4
Ga
24,7
BiF
3
a
Fm3m 305
∼ 1,3
8,6
Ni
50,9
Mn
24,7
Ga
24,4
BiF
3
a
Fm3m 272
∼ 1,3
3,5
Ni
55,2
Mn
18,6

Ga
26,2
BiF
3
a
Fm3m 315
∼ 1,3
20,4
Ni
51,6
Mn
24,7
Ga
23,8
BiF
3
a
Fm3m 296
∼ 1,3
7,0
Ni
52,7
Mn
23,9
Ga
23,4
BiF
3
a
Fm3m 338

∼ 1,3
15,6
CoNb
x
Mn
1-x
Sb
x = 0,0 MgAgAs F43m 472 2,00 2,1
b
x = 0,2 MgAgAs F43m 470 3,22 1,4
b
x = 0,4 MgAgAs F43m 465 2,29 1,2
b
x = 0,6 MgAgAs F43m 463 1,85 0,6
b
MnFeP
0,45
As
0,55
Fe
2
P
mP 26
306 - 13
c
MnFeP
0,47
As
0,53
Fe

2
P
mP 26
293 - 15
c
Mn
1,1
Fe
0,9
P
0,47
As
0,53
Fe
2
P
mP 26
298 - 21
c
MnFeP
0,89-x
Si
x
Ge
0,11
x = 0,22 Fe
2
P
mP 26
270 4,22 27

x = 0,26 Fe
2
P
mP 26
292 4,21 27
x = 0,30 Fe
2
P
mP 26
288 4,29 27
x = 0,33 Fe
2
P
mP 26
260 4,21 45
Các giá trị của |∆S| đúng sự thay đổi của từ trường ∆B = 5T.
a Dưới nhiệt độ chuyển pha martensitic, cấu trúc là tứ giác.
b ∆B = 0,9 T.
c ∆B = 2,0 T.
Để chế tạo được các vật liệu mới có hiệu ứng từ nhiệt lớn (GMCE), một số nhà khoa
học đã tập trung nghiên cứu cơ chế của hiệu ứng này. Do hiệu ứng từ nhiệt lớn được
tìm thấy ở những vật liệu có sự biến đổi về cấu trúc xảy ra đồng thời với sự sắp xếp
trật tự từ nên nhiều nghiên cứu hiện nay tập trung vào cơ chế và mối quan hệ giữa sự
biến đổi cấu trúc và sự sắp xếp trật tự từ [5,8,11].
7
Ở trong nước cũng đã có một số nhóm nghiên cứu quan tâm đến vật liệu từ nhiệt như
Bộ môn Vật lý nhiệt độ thấp, Trung tâm Khoa học Vật liệu - Đại học Khoa học Tự
nhiên, Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội, Viện Khoa học Vật liệu… và
cũng đã có một số công bố khoa học cả ở trong nước và quôc tế [25-29].
Trong nghiên cứu này, chúng tôi sẽ nghiên cứu hiệu ứng từ nhiệt trên các hợp kim

hợp kim Heusler (CoMnSi, NiMnSn, NiMnSb ) và hợp kim nguội nhanh (Fe-Cu-
Nb-Si-B, La-Fe-Si ). Ưu điểm của các hợp kim này là có khả năng cho hiệu ứng từ
nhiệt lớn đồng thời với điện trở suất lớn, có các chuyển pha từ gắn với chuyển pha
cấu trúc, có nhiệt độ Curie dễ thay đổi và có giá thành rẻ. Đó là các yêu cầu cần thiết
cho khả năng ứng dụng thực tế. Mặt khác, các hợp kim này phù hợp với các thiết bị
công nghệ chế tạo và nghiên cứu cấu trúc, tính chất sẵn có tại Phòng thí nghiệm
Trọng điểm về Vật liệu và Linh kiện Điện tử, Viện Khoa học Vật liệu.
Tài liệu tham khảo:
1. />2. Tegus O., Brück E., Buschow K. H. J. & de Boer F. R., Transition-metal-based magnetic
refrigerants for room-temperature applications, Nature 415, 150–152 (2002).
3. Provenzano V., Shapiro A. J. & Shull R. D., Reduction of hysteresis losses in the
magnetic refrigerant Gd
5
Si
2
Ge
2
by addition of iron, Nature 429, 853–857 (2004).
4. Krenke, T. et al. Inverse magnetocaloric effect in ferromagnetic Ni-Mn-Sn alloys. Nature
4, 450-454 (2005)
5. Lluís Mañosa, David González-Alonso, Antoni Planes, Erell Bonnot, Maria Barrio,
Josep-Lluís Tamarit, Seda Aksoy and Mehmet Acet, Giant solid-state barocaloric effect
in the Ni–Mn–In magnetic shape-memory alloy, Nature 9, 478-481 (2010).
6. Mischenko A. S., Zhang Q., Scott J. F., Whatmore R. W. & Mathur, Giant electrocaloric
effect in thin-film PbZr
0.95
Ti
0.05
O
3

, Science 311, 1270-1271 (2006).
7. Neese B. et al., Large electrocaloric effect in ferroelectric polymers near room
temperature, Science 321, 821-823 (2008).
8. Bonnot E., Romero R., Mañosa L., Vives E. & Planes, Elastocaloric effect associated
with the martensitic transition in shape-memory alloys, Phys. Rev. Lett. 100, 125901
(2008).
9. N. T. Trung, V. Biharie, L. Zhang, L. Caron, K. H. J. Buschow, and E. Brück, From
single- to double-first-order magnetic phase transition in magnetocaloric Mn
1−x
Cr
x
CoGe
compounds, Appl. Phys. Lett. 96, 162507 (2010).
10. V. K. Pecharsky and K. A. Gschneidner, Jr., Giant Magnetocaloric Effect in Gd
5
Si
2
Ge
2
,
Physical Review Letters, Vol. 78, No. 23, 4494 (1997).
8
11. M Manivel Raja, R Gopalan, D M Rajkumar, R Balamuralikrishnan, V Chandrasekaran,
K G Suresh and K Hono, Phase relationship, microstructure and magnetocaloric effect
in Gd
1−x
(Si
0.5
Ge
0.5

)
x
alloys, J. Phys. D: Appl. Phys. 41, 055008 (2008).
12. Xuezhi Zhou, Wei Li, H P Kunkel and GwynWilliams, A criterion for enhancing the
giant magnetocaloric effect: (Ni–Mn–Ga) - a promising new system for magnetic
refrigeration, J. Phys.: Condens. Matter 16, L39–L44 (2004).
13. Xixiang Zhang, Bei Zhang, Shuyun Yu, Zhuhong Liu, Wenjin Xu, Guodong Liu, Jinglan
Chen, Zexian Cao, and Guangheng Wu, Combined giant inverse and normal
magnetocaloric effect for room-temperature magnetic cooling, Physical Review B, 76,
132403 (2007).
14. Wang Yong Tian, Bai Hai Yang, Pan Ming Xiang, Zhao De Qian & Wang Wei Hua,
Giant enhancement of magnetocaloric effect in metallic glass matrix composite, Sci
China Ser G-Phys Mech Astron, Vol. 51 No. 4, 337 (2008).
15. Joachim Barth, Gerhard H. Fecher, Benjamin Balke, Tanja Graf, and Claudia Felser,
Andrey Shkabko and Anke Weidenkaff, Anomalous transport properties of the
halfmetallic ferromagnets Co
2
TiSi, Co
2
TiGe, and Co
2
TiSn, arXiv:0907.3562v1 [cond-
mat.mtrl-sci] (2009).
16. Liu Min, Yu Bing-feng, Development of magnetocaloric materials in room temperature
magnetic refrigeration application in recent six years, J. Cent. South Univ. Technol. 16,
1 (2009).
17. V K Sharma , M K Chattopadhyay and S B Roy, Large magnetocaloric effect in
Ni
50
Mn

33.66
Cr
0.34
In
16
alloy, J. Phys. D: Appl. Phys. 43, 225001 (2010).
18. E. Yüzüak , B. Emre , Y. Elerman and A. Yüce, Giant magnetocaloric effect in Tb
5
Ge
2–
x
Si
2–x
Mn
2x
compounds, Chinese Phys. B, 19, 057501 (2010).
19. I Tereshina , G Politova , E Tereshina , S Nikitin , G Burkhanov , O Chistyakov and A
Karpenkov, Magnetocaloric and magnetoelastic effects in (Tb
0.45
Dy
0.55
)
1-x
Er
x
Co
2

multicomponent compounds, J. Phys.: Conf. Ser. 200, 092012 (2010).
20. M Klimczak and E Talik, Magnetocaloric effect of GdTX (T = Mn, Fe, Ni, Pd, X=Al,

In) and GdFe
6
Al
6
ternary compounds, J. Phys.: Conf. Ser. 200, 092009 (2010).
21. H. Zhang, Y. Long, Q. Cao, Ya. Mudryk, M. Zou, K.A. Gschneidner Jr., V.K. Pecharsky,
Microstructure and magnetocaloric effect in cast LaFe
11.5
Si
1.5
B
x
(x=0.5, 1.0), Journal of
Magnetism and Magnetic Materials, 322, 1710-1714 (2010).
9
22. S P Mathew , S N Kaul , A K Nigam , A – C Probst and R Birringer, Magnetic
irreversibility, spin-wave excitations and magnetocaloric effect in nanocrystalline
Gadolinium, J. Phys.: Conf. Ser. 200, 072047 (2010).
23. X. G. Liu, D. Y. Geng, J. J. Jiang, B. Li, S. Ma, D. Li, W. Liu and Z. D. Zhang, Magnetic
properties and large cryogenic low-field magnetocaloric effect of HoCo
2
nanoparticles
without core/shell structure, Journal of Nanoparticle Research, 12, 9717-8 (2010).
24. J.J. Ipus, J.S. Blázquez, V. Franco, A. Conde, Influence of Co addition on the magnetic
properties and magnetocaloric effect of Nanoperm (Fe
1−X
Co
X
)
75

Nb
10
B
15
type alloys
prepared by mechanical alloying, Journal of Alloys and Compounds, 496, 7-12 (2010).
25. E. Bruck, O. Tegus, D. T. Cam Thanh, Nguyen T.Trung, K. H. J. Buschow, A review on
Mn based materials for magnetic refrigeration: structure and properties, International
Journal of refrigeration 31, 763 (2008).
26. N.Q. Hoa, N. Chau, S C. Yu, T.M. Thang , N.D. The, N.D. Tho, The crystallization and
properties of alloys with Fe partly substituted by Cr and Cu fully substituted by Au in
Finemet, Materials Science and Engineering A 449-451, 364 (2007).
27. Duong Thi Hong Gam, Nguyen Hoang Hai, Le Van Vu, Nguyen Hoang Luong and
Nguyen Chau, The existence of large magnetocaloric effect at low field variation and the
anti-corrosion ability of Fe-rich alloy with Cr substituted for Fe, Journal of Physics:
Conference Series 187, 012067 (2009).
28. D.N.H. Nam, N.V.Dai, L.V.Hong, N.X.Phuc, S.C.Yu, M.Tachibana and E.Takayama-
Muromachi, Room-temperature magnetocaloric effect in La
0.7
Sr
0.3
Mn
1-x
M’
x
O
3
(M’=Al,
Ti), Journal of Applied Physics, 103, 043905 (2008).
29. Nguyen Huu Duc, Tran Dang Thanh, Le Thi Tuyet Tam, Bui Manh Tuan, Pham Thi

Thanh, Nguyen Hai Yen, Phan The Long and Nguyen Huy Dan, Study on Synthesis,
Structure and magnetocarloric properties of CoMn
1-x
Fe
x
Si alloys, Accepted to be
presented at The 5
th
International Workshop on Advanced Materials Science and
Nanotechnology, Ha Noi, 2010.
7. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật sử dụng:
Hiệu ứng từ nhiệt có thể được biểu diễn qua hệ thức:
(1)
trong đó: T là nhiệt độ; S là entropy của hệ; H là từ trường.
10
Để đánh giá hiệu ứng từ nhiệt của vật liệu người ta thường dựa vào hai đại lượng,
biến thiên entropy từ ∆S
m
(2) v à biến thiên nhiệt độ trong quá trình đoạn nhiệt ∆T
ad

(3):
(2)
(3)
trong đó M là từ độ và C là nhiệt dung của vật liệu.
Có hai cách để đánh giá hiệu ứng từ nhiệt của vật liệu. Cách thứ nhất là đo trực tiếp
sự thay đổi nhiệt độ của vật liệu khi từ trường biến thiên. Tuy nhiên cách này gặp khó
khăn trong việc tạo sự cách nhiệt cho mẫu vật liệu cần đo với môi trường xung quanh.
Cách thứ hai là đo gián tiếp qua phép đo từ độ M phụ thuộc vào từ trường H ở các
nhiệt độ T khác nhau. Cách này thường được áp dụng vì phép đo dễ được thực hiện

hơn. Trong đề tài này chúng tôi cũng dự kiến sử dụng phép đo này để đánh giá hiệu
ứng của vật liệu chế tạo được.
Dựa vào các phân tích lý thuyết tương ứng và bản chất của MCE, các vật liệu từ lý
tưởng sử dụng trong việc làm lạnh bằng từ trường thỏa mãn tất cả các đặc tính sau:
(1) ∆S
M
và ∆T
ad
lớn (nghĩa là tổng số moment động lượng (J), và hệ số Lande (g) cho
vật liệu sắt từ phải lớn); (2) mật độ của entropy từ lớn, đây là một nhân tố quan trọng
góp phần vào hiệu suất hoạt động của các vật liệu; (3) entropy mạng nhỏ (nghĩa là
nhiệt độ Debye cao); (4) nhiệt độ Curie nằm trong vùng lân cận của nhiệt độ phòng để
đảm bảo rằng sự thay đổi entropy từ lớn có thể thu được trong dải nhiệt độ phòng của
chu trình; (5) độ từ trễ giảm gần 0; (6) hiện tượng trễ nhiệt rất nhỏ; (7) nhiệt dung
riêng nhỏ và tính dẫn nhiệt lớn để đảm bảo rằng sự trao đổi nhiệt xảy ra nhanh chóng
và sự thay đổi nhiệt độ là đáng kể ; (8) điện trở lớn (nghĩa là: việc đốt nóng bằng
dòng điện Fuco yếu hoặc dòng điện Fuco thấp); (9) độ ổn định về mặt hóa học cao và
việc tổng hợp mẫu đơn giản.
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 Curie 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.
Hiệu ứng từ nhiệt lớn (GMCE) có liên quan đến sự biến đổi cấu trúc xảy ra cùng một
lúc với sự sắp xếp trật tự từ. Trong trường hợp này, cả phân mạng từ tính và phân
11
mạng tinh thể học dễ bị tác động bởi từ trường, chẳng hạn như chuyển pha sắt từ -

phản sắt từ, chuyển pha phản sắt từ cộng tuyến - phản sắt từ không cộng tuyến,
chuyển pha phản sắt từ - feri từ Trong các trường hợp này, cả phân mạng từ tính và
phân mạng tinh thể dễ bị tác động bởi từ trường.Do vậy, việc nghiên cứu mối liên hệ
giữa hiệu ứng từ nhiệt với sự chuyển pha cấu trúc để tạo nên GMCE cần được tập
trung vào bản chất và cơ chế của nó. Từ đó có thể tổng hợp được các vật liệu từ nhiệt
mới.
Trong nghiên cứu này chúng tôi sẽ lựa chọn một số hợp phần đại diện cho hai loại
hợp kim: i) hợp kim Heusler (Co,Ni)-(Mn,Fe)-(Si, Sn, In) và ii) hợp kim nguội nhanh
nền Fe và Mn. Sở dĩ chúng tôi chọn hai loại hợp kim này vì chúng có khả năng đáp
ứng được các yêu cầu đã phân tích ở trên. Các hợp kim này có đặc trưng cấu trúc
khác nhau nên có thể tìm được mối liên hệ chung nhất giữa chuyển pha từ gắn với
chuyển pha cấu trúc để gây nên hiệu ứng từ nhiệt lớn. Các trật tự sắt từ, phản sắt từ,
trật tự từ không cộng tuyến cũng thường xuất hiện trong các loại hợp kim này. Nhiệt
độ chuyển pha từ của các hợp kim được lựa chọn cũng dễ dàng được thay đổi bằng
cách thêm vào một vài nguyên tố phù hợp. Mặt khác mỗi loại vật liệu gắn với một
phương pháp chế tạo khác nhau, như vậy sẽ thuận lợi trong việc khai thác thiết bị và
phát triển toàn diện công nghệ chế tạo vật liệu từ nhiệt.
Rất nhiều công bố khoa học cho thấy rằng, để chế tạo được các hợp kim từ nhiệt có
cấu trúc mong muốn để tạo ra từ hiệu ứng từ nhiệt lớn là tương đối khó khăn và phức
tạp. Chẳng hạn để ổn định cấu trúc, một số hợp kim phải được xử lý nhiệt trong thời
gian rất dài. Bên cạnh đó, việc tạo ra được các hợp kim từ nhiệt có cơ tính, độ bền đáp
ứng được ứng dụng thực tế là không dễ dàng. Vì vậy việc nghiên cứu để đưa ra các
qui trình công nghệ ổn định để chế tạo các hợp kim từ nhiệt là rất thiết thực.
Phương pháp chế tạo mẫu được lựa chọn cho đề tài là phương pháp luyện kim bằng
hồ quang, cảm ứng và phun băng hợp kim nguội nhanh. Một số mẫu sau khi chế tạo
bằng hai phương pháp trên sẽ được xử lý nhiệt để ổn định hoặc tạo ra các cấu trúc pha
mong muốn.
Cấu trúc của vật liệu sẽ được khảo sát bằng phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) và
hiển vi điện tử quét (SEM).
Hiệu ứng từ nhiệt sẽ được nghiên cứu bằng các phép đo từ độ.

8. Những nội dung nghiên cứu:
Nội dung 1: Nghiên cứu công nghệ chế tạo các hợp kim Heusler và nguội nhanh
có hiệu ứng từ nhiệt lớn.
12
Tìm được hợp phần và các điều kiện công nghệ chế tạo các hợp kim có hiệu ứng
từ nhiệt lớn và có các tính chất lý, hóa tốt có khả năng ứng dụng trong thiết bị làm
lạnh bằng từ trường. Sử dụng phương pháp luyện kim hồ quang, cảm ứng và phun
băng nguội nhanh.
Các hợp kim Heusler dự kiến được chế tạo là: CoMnSi, NiMnSn và NiMnSb.
Các hợp kim nguội nhanh được lựa chọn trên hệ Fe-Cu-Nb-Si-B.
Thay đổi các điều kiện công nghệ như tốc độ làm nguội, thời gian ủ nhiệt để tạo
được các hợp kim có cấu trúc mong muốn
Nội dung 2: Nghiên cứu mối liên hệ giữa hợp phần, cấu trúc và tính chất từ nhiệt
của các hợp kim để hiểu cơ chế của hiệu ứng từ nhiệt lớn, từ đó định hướng chế
tạo các vật liệu từ nhiệt mới.
Thay thế từng phần các nguyên tố của hợp kim như Ni cho Mn hay Mn cho Fe (ví
dụ như CoMn
1-x
Ni
x
Si hay Fe
73.5-x
Mn
x
Cu
1
Nb
3
Si
13,5

B
9
) để nghiên cứu mối liên hệ
giữa cấu trúc và tính chất từ nhiệt của các hợp kim.
Sử dụng phương pháp nhiễu xạ tia X, hiển vi điện tử để phân tích cấu trúc; sử
dụng các phép đo từ độ để nghiên cứu tính chất từ và xác định độ lớn hiệu ứng từ
nhiệt của vật liệu.

Nội dung 3: Nghiên cứu đưa nhiệt độ làm việc của hợp kim từ nhiệt về vùng nhiệt
độ phòng.
13
Hiệu ứng từ nhiệt thường có giá trị lớn ở lân cận vùng chuyển pha từ. Vì vậy, để
ứng dụng đuợc các vật liệu từ nhiệt ở vùng nhiệt độ phòng thì phải đưa được
chuyển pha từ về vùng nhiệt độ phòng. Chẳng hạn thêm vào các nguyên tố phi từ
hoặc sắt từ yếu để làm giảm nhiệt độ Curie (T
C
) đối với các hợp kim có nhiệt độ
T
C
cao và ngược lại, đưa các nguyên tố sắt từ mạnh vào để nâng T
C
của hợp kim
có T
C
thấp.
9. Tiến độ thực hiện đề tài: (chia từng nội dung với thời gian bắt đầu, kết thúc, sản
phẩm phải đạt và người, cơ quan thực hiện)
Các nội dung Kết quả phải đạt
Thời gian
(bắt đầu,

kết thúc)
Cá nhân,
tổ chức
thực hiện*
1 Nội dung 1
Nghiên cứu công nghệ
chế tạo các hợp kim
Heusler và nguội nhanh
có hiệu ứng từ nhiệt lớn
Tìm được các điều kiện
công nghệ để chế tạo
được các mẫu nghiên
cứu có cấu trúc mong
muốn
1/2011 -
4/2011
Nguyễn Huy
Dân
Vũ Hồng Kỳ
Nguyễn Hải Yến
Phạm Thị Thanh
Nguyễn Hữu
Đức
Nguyễn Thị Mai
2 Nội dung 2
Nghiên cứu mối liên hệ
giữa hợp phần và tính
chất từ nhiệt của các hợp
kim để hiểu rõ cơ chế của
hiệu ứng từ nhiệt lớn, từ

đó định hướng chế tạo
các vật liệu từ nhiệt mới.
Đưa ra được các qui
luật ảnh hưởng của hợp
phần đến tính chất từ
nhiệt của các hợp kim
5/2011 -
8/2011
Nguyễn Huy
Dân
Trần Đăng
Thành Nguyễn
Hữu Đức
Nguyễn Thị Mai
14
3 Nội dung 3
Nghiên cứu đưa nhiệt độ
làm việc của hợp kim từ
nhiệt về vùng nhiệt độ
phòng.
Chế tạo được các hợp
kim từ nhiệt có hiệu
ứng từ nhiệt lớn (∆S
m
~0.8-1 J/kg.K trong từ
trường ~12 kOe) ở vùng
nhiệt độ phòng (trong
khoảng 300 – 500K)
9/2011-
11/2011

Nguyễn Huy
Dân
Nguyễn Hải Yến
Phạm Thị Thanh
Nguyễn Hữu
Đức
4 Nội dung 4
Viết báo cáo tổng kết,
nghiệm thu đề tài
Tóm luợc được các kết
quả thu được, nghiệm
thu được đề tài
11/2011-
12/2011
Nguyễn Huy
Dân
PHẦN III. KẾT QUẢ CỦA ĐỀ TÀI
10. Dạng kết quả dự kiến của đề tài:
TT
Tên sản phẩm
và chỉ tiêu chất lượng chủ yếu
Đơn vị
Dự kiến số lượng
sản phẩm tạo ra
1 Bài báo tạp chí khoa học chuyên ngành bài 01
2 Tham gia đào tạo nghiên cứu sinh người 01
3 Tham gia đào tạo cao học người 01
11. Yêu cầu khoa học đối với sản phẩm tạo ra (tên các sản phẩm chủ yếu và yêu cầu
khoa học cụ thể của từng loại):
- Bài báo có chất lượng khoa học tốt được đăng trên các tạp chí có uy tín.

- Học viên cao học bảo vệ được luận văn cao học, nghiên cứu sinh sử dụng được kết
quả nghiên cứu để viết luận án
12. Yêu cầu kỹ thuật, chỉ tiêu chất lượng đối với sản phẩm của đề tài thuộc hướng
phát triển công nghệ:
13. Khả năng và phương thức ứng dụng kết quả của đề tài:
- Vật liệu có khả năng ứng dụng trong các máy làm lạnh bằng từ trường.
14. Các tác động khác của kết quả đề tài (về đào tạo cán bộ, đối với lĩnh vực khoa học
có liên quan, đối với sự phát triển KT-XH):
- Tham gia đào tạo cán bộ sau đại học, nâng cao trình độ cho nguồn nhân lực nghiên
cứu khoa học.
15
- Có tác động trong vấn đề tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường.
- Có ý nghĩa trong việc phát triển khoa học công nghệ tiên tiến - công nghệ làm lạnh
bằng từ trường.
PHẦN IV. CÁC TỔ CHỨC VÀ CÁ NHÂN THAM GIA THỰC HIỆN ĐỀ TÀI
15. Hoạt động của các tổ chức phối hợp thực hiện đề tài: (tên tổ chức, địa chỉ và nội
dung công việc sẽ thực hiện trong đề tài)
16. Liên kết với sản xuất hoặc địa chỉ ứng dụng của kết quả đề tài:
17. Danh sách các cán bộ thực hiện đề tài (họ và tên, trách nhiệm trong đề tài, cơ
quan công tác, số tháng làm việc cho đề tài)
ST
T
Họ và Tên
Trách nhiệm
trong đề tài
Đơn vị công tác
Số tháng
làm việc
Chữ ký
1

2
3
4
5
6
7
Nguyễn Huy Dân
Nguyễn Hải Yến
Phạm Thị Thanh
Vũ Hồng Kỳ
Trần Đăng Thành
Nguyễn Hữu Đức
Nguyễn Thị Mai
Chủ nhiệm
Tham gia
Tham gia
Tham gia
Tham gia
Tham gia
Tham gia
Viện KHVL
Viện KHVL
Viện KHVL
Viện KHVL
Viện KHVL
Viện KHVL
ĐH Sư phạm HN 1
4
4
4

2
1
8
6
PHẦN V. KINH PHÍ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI
18.Dự toán kinh phí theo Mục lục NSNN
Tổng kinh phí : 50 triệu đồng.
STT Mục chi Nội dung chi Tổng số (triệu
đồng)
A Nội dung chi giao khoán 31,5
1
6500 Thanh toán điện nước thí nghiệm
- Thanh toán tiền điện
- Thanh toán tiền nước
8
6
2
2 6550 Văn phòng phẩm và dụng cụ văn phòng 5
16
3 6600 Thông tin, tuyên truyền, liên lạc (điện thoại)
2
4 7000 Chi phí thuê khoán chuyên môn:
- Chế tạo các hợp kim Heusler và nguội nhanh.
- Phân tich cấu trúc và tính chất từ nhiệt của các
hợp kim.
- Viết các báo cáo khoa học.
15
3
7
5

5 7750 Chi phí quản lý phí cơ quan chủ trì 1,5
B Nội dung chi không giao khoán 18,5
7 7000 Chi phí nghiệp vụ chuyên môn
- Vật tư hóa chất:
+ Mn (0,02 tr x 200 g)
+ Ni (0,015 tr x 200 g)
+ Sb (0,025 tr x 100 g)
9,5
4
3
2,5
8 9050 Tài sản hữu hình
- Máy vi tính
9
9
Hà Nội, ngày 19 tháng 01 năm 2011
Xác nhận của chuyên gia phản biện, HĐKH
(ký, ghi rõ họ và tên)


Chủ nhiệm đề tài,
(ký, ghi rõ họ và tên)
Nguyễn Huy Dân
Phê duyệt của Thủ trưởng đơn vị chủ trì
17