MẪU BÁO CÁO ĐỀ CƯƠNG NGHIÊN CỨU SINH TÊN ĐỀ TÀI (NGHIÊN CỨU HIỆU ỨNG TỪ NHIỆT TRÊN MỘT SỐ HỆ HỢP KIM VÔ ĐỊNH HÌNH VÀ NANÔ TINH THỂ (FeNiZr, LaFeSi, NiMnSn…))

NGHIÊN CỨU HIỆU ỨNG TỪ NHIỆT TRÊN
NGHIÊN CỨU HIỆU ỨNG TỪ NHIỆT TRÊN
MỘT SỐ HỆ HỢP KIM VÔ
MỘT SỐ HỆ HỢP KIM VÔ


ĐỊNH HÌNH VÀ
ĐỊNH HÌNH VÀ
NANÔ TINH THỂ (Fe-Ni-Zr, La-Fe-Si, Ni-Mn-
NANÔ TINH THỂ (Fe-Ni-Zr, La-Fe-Si, Ni-Mn-
Sn…)
Sn…)
VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM
VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU
NỘI DUNG
1. Đặt vấn đề
2. Nội dung nghiên cứu
3. Kế hoạch và kiến nghị

Mục tiêu của đề tài

Nội dung nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu

Các kết quả dự kiến

Ý nghĩa khoa học của Đề tài
1. Đặt vấn đề
1.1. Hiệu ứng từ nhiệt
Hình 1: Giới thiệu về hiệu ứng từ nhiệt dương


Ưu điểm:
+
Không gây ra ô nhiễm môi trường.
+
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 (MagnetoCaloric Effect-MCE) của vật liệu đang rất được
quan tâm nghiên cứu bởi nó có thể ứng dụng trong lĩnh vực làm lạnh bằng từ
trường.
1. Đặt vấn đề
Hình 1. Giản đồ mô tả chu trình làm lạnh bằng từ trường và bằng khí [1].
1. Đặt vấn đề
1.2. Cơ sở nhiệt động học của hiệu ứng từ nhiệt
[ ] [ ]
( )
[ ]
2
1
2 1
,
( ) , ,
H
m
H
H

M T H
S T S T H S T H dH
T
∂ 
∆ = − =
 ÷
∂
 
∫
( )
( )
( )
[ ]
dH
T
HTM
HTC
T
HTT
H
H
H
ad






∂

∂








−=∆
∫
,
,
,
2
1
(1)
(2)
(3)
+ Độ biến thiên entropy từ ∆S
M
(magnetic entropy change):
+ Độ biến thiên nhiệt độ đoạn nhiệt ∆T
ad
(the adiabatic temperature change):
+ Khả năng làm lạnh RC

(refrigerant capacity):
1. Đặt vấn đề
1.3. Phương pháp đánh giá hiệu ứng từ nhiệt của vật liệu


Phương pháp trực tiếp
Đo trực tiếp sự thay đổi nhiệt độ khi từ trường biến thiên.

Phương pháp gián tiếp
+ Xác định nhiệt độ ∆T
ad
thông qua giá trị ∆S
m
và một số đại lượng liên quan.
+ Xác định ∆S
m
thông qua biểu thức:









∂
∂
=
∂
∂
=∆
∫∫
HH

m
MdH
T
dH
T
M
S
00
0 4000 8000 12000
0
10
20
30
∆Τ = 4 Κ
334 K
302 K


Mu014
M (emu/g)
H (Oe)
(4)
1. Đặt vấn đề
1.4. Sự phát triển của vật liệu từ nhiệt

Năm 1933, vật liệu từ nhiệt được dùng để tạo nhiệt độ rất thấp, sử dụng trong
các thiết bị đo đạc tinh vi ở nhiệt độ gần độ không tuyệt đối.

Năm 1976, vật liệu từ nhiệt được dùng thử nghiệm trong các máy làm lạnh
bằng

từ trường ở nhiệt độ phòng.
Hình 2: Sơ đồ nguyên lý máy lạnh dùng từ
trường
1. Đặt vấn đề
Bảng 1: Các máy làm lạnh dùng từ trường ở nhiệt độ phòng
Tên công ty/Viện
nghiên cứu
Quốc gia
Năm
công bố
Công
suất làm
lạnh cực
đại (W)
[1]
ΔT
ad

(K)
cực
đại
Từ
trường
biến
thiên (T)
Vật liệu
Ames
Laboratory/Astronau
tics
USA 1997 600 10 5 Khối cầu Gd

Chubu
Electric/Toshiba
Japan 2000 100 21 4 Khối cầu Gds
University of Victoria Canada 2001 2 14 2
Gd &
Gd
1−x
Tb
x
L.B.
Sichuan Inst.
Tech./Nanjing
University
China 2002 ? 23 1.4
Khối cầu Gds
và
Gd
5
Si
1.985
Ge
1.985
Ga
0.03
bột
Chubu
Electric/Toshiba
Japan 2003 60 10 0.76 Gd
1−x
Dy

x
L.B.
1. Đặt vấn đề
Hình 4. Máy làm lạnh bằng từ trường của
hãng Chubu-Toshiba
Hình 3. Thiết bị làm lạnh bằng từ truờng ở vùng
nhiệt độ phòng được chế tạo bởi hãng
Astronautic Corporation
1. Đặt vấn đề
1.5. Tiêu chuẩn lựa chọn vật liệu từ nhiệt:

Biến thiên entropy từ ∆Sm và biến thiên nhiệt độ đoạn nhiệt ∆Tad đạt
giá trị lớn trong biến thiên từ trường nhỏ.

Nhiệt độ Curie nằm trong vùng lân cận nhiệt độ phòng.

Vùng làm việc (vùng có hiệu ứng từ nhiệt lớn) rộng để cho vật liệu có thể
làm lạnh trong một dải nhiệt độ lớn.

Hiện tượng từ và trễ nhiệt nhỏ.

Nhiệt dung riêng nhỏ và tính dẫn nhiệt tốt.

Điện trở suất lớn.

Độ ổn định cao, an toàn và việc tổng hợp mẫu không quá phức tạp.
1. Đặt vấn đề
1.6. Một số kết quả nghiên cứu vật liệu từ nhiệt những năm gần đây
1.6.1. Hợp kim liên kim loại (intermetallic)
+ Nhiệt dung thấp nên cho giá trị biến thiên nhiệt độ đoạn nhiệt cao.

+ Khó điều chỉnh được nhiệt độ hoạt động, độ bền thấp và giá thành cao.
1.6.2. Vật liệu perovskite manganite
+ Dễ điều khiển nhiệt độ hoạt động, độ bền hóa học cao,
+ Hiệu ứng từ nhiệt lớn khi từ trường cao và phụ thuộc mạnh vào môi trường.
1.6.3. Hợp kim Heusler
+ Có khả năng cho MCE lớn trong vùng nhiệt độ phòng
+ Tính nhạy cao của MCE với cấu trúc của vật liệu là một lợi thế tiềm năng để
điều chỉnh hiệu ứng từ nhiệt. Tuy nhiên, đặc tính đó cần phải được sử dụng một
cách thận trọng bởi có thể đưa đến sự biến dạng không kiểm soát được.
1. Đặt vấn đề
1.6.4. Hợp kim vô định hình và nano tinh thể
+ Kết hợp được hầu hết các ưu điểm của các loại vật liệu trên.
+ Hiệu ứng từ nhiệt lớn, có nhiệt độ chuyển pha từ dễ thay đổi, có dải
nhiệt độ làm việc rộng, có lực kháng từ nhỏ, có điện trở suất hớn, có độ
bền tốt và giá thành rẻ.
+ Có đỉnh ∆S
M
mở rộng xung quanh nhiệt độ chuyển pha T
C
.
+ Không có sự thay đổi về cấu trúc.
+ RC lớn
+ Hiện trễ nhiệt và trễ từ giảm đáng kể.
+ Điện trở suất lớn
+ Tính chất cơ học tốt
+ Độ bền cao.
Chúng tôi chọn đối tượng nghiên cứu là các hợp
kim vô định hình và nano tinh thể
H p kimợ
∆H (T)

T
C
(K)
∆S
M

(J.kg
-
1
.K
-1
)
RC (J.K
-
1
)
TLTK
Fe
88
Zr
7
B
4
Cu
1
1.5 287
∼ 1.3 ∼ 166
[1]
Fe
82.5

Co
2.75
Ni
2.75
Zr
7
B
4
Cu
1


1.5
∼
400
∼ 1.5 ∼ 166
[1]
Fe
77
Co
5.5
Ni
5.5
Zr
7
B
4
Cu
1
1.5

∼
500 1.75
∼ 128
[1]
Fe
71.5
Co
8.25
Ni
8.25
Zr
7
B
4
Cu
1
1.5
∼
550 2 130 [1]
Fe
72
Cr
8
Nb
3
B
16
Cu
0.6 310
∼ 0.5

[2]
LaFe
11.4
Si
1.6
1
210
∼ 10 ∼ 200
[6]
LaFe
11.4
Si
1.6
2
215 14
∼ 280
[6]

Một số kết quả nghiên cứu về hệ hợp kim vô định hình và nano tinh thể trên
thế giới
1. Đặt vấn đề

Một số kết quả nghiên cứu về hệ hợp kim vô định hình và nano tinh thể trên thế giới
1. Đặt vấn đề
Hình 5: Độ biến thiên entropy từ ∆S
M
khi độ biến
thiên từ trường là 1, 2 và 5 T của hệ hợp kim
LaFe
11.4

Si
1.6
Hình 6: Độ biến thiên entropy từ ∆S
M
khi độ biến
thiên từ trường là 1.5 T hệ hợp kim Fe
88-
x
Co
x
Ni
x
Zr
7
B
4
Cu
1
(x = 0, 2.75, 5.5, 8.25 và 11).

2. Nội dung nghiên cứu
2.1. Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu công nghệ chế tạo và cơ chế hiệu ứng từ nhiệt của các hợp kim vô định
hình và nanô tinh thể (Fe-Cu-Nb-Si-B, Fe-Ni-Zr, Ni-Mn-Sn, La-Fe-Si ) nhằm chế
tạo được các hợp kim từ nhiệt có khả năng ứng dụng trong lĩnh vực làm lạnh bằng từ
trường.
2.2. Nhiệm vụ nghiên cứu

Tìm được hợp phần và các điều kiện công nghệ chế tạo các hợp kim (Fe-Cu-Nb-Si-B,

Fe-Ni-Zr, Ni-Mn-Sn, La-Fe-Si ) 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.

Nghiên cứu mối liên hệ giữa cấu trúc và tính chất từ nhiệt của các hợp kim và hiểu rõ
cơ chế của hiệu ứng từ nhiệt lớn, từ đó định hướng chế tạo các vật liệu từ nhiệt mới.

Nghiên cứu đưa nhiệt độ làm việc của hợp kim từ nhiệt về vùng nhiệt độ phòng.
2. Nội dung nghiên cứu
2.3. Phương pháp nghiên cứu
Đề tài sẽ được thực hiện bằng phương pháp thực nghiệm.

Chế tạo mẫu bằng phương pháp phun băng nguội nhanh và nghiền cơ năng lượng cao.
Một số mẫu sau khi chế tạo bằng các phương pháp trên sẽ được xử lý nhiệt để ổn định
hoặc tạo ra các cấu trúc pha mong muốn.

Nghiên cứu cấu trúc của mẫu bằng phương pháp phân tích nhiễu xạ tia X.

Nghiên cứu tính chất từ và từ nhiệt của mẫu dựa vào các phép đo từ nhiệt hệ từ kế
mẫu rung và hệ từ trường xung.
2.4. Ý nghĩa khoa học của đề tài

Công nghệ làm lạnh bằng từ trường là 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.
2. Nội dung nghiên cứu
2.5. Dự kiến kết quả nghiên cứu

Chế tạo được các hợp kim vô định hình và nanô tinh thể có hiệu ứng từ nhiệt lớn

(∆S
m
> 1 J/kg.K với ∆H = 1,2 T).

Đưa ra được các qui luật ảnh hưởng của cấu trúc đến tính chất từ nhiệt trong các hợp
kim.

Đưa được nhiệt độ làm việc của các hợp kim vô định hình và nanô tinh thể về gần
vùng nhiệt độ phòng (250 – 350 K).
2.6. Những vấn đề đã tiếp cận

Đã vận hành được thiết bị chế tạo mẫu bằng thiết bị phun băng nguội nhanh, máy
nghiền cơ năng lượng cao, đo từ trên hệ đo từ trường xung và hệ đo từ kế mẫu rung.

Đã thu thập và tìm hiểu một số tài liệu liên quan đến nội dung nghiên cứu.

Đã bắt đầu nghiên cứu về công nghệ chế tạo, cấu trúc và tính chất của một số hợp kim
nguội nhanh, hợp kim Heusler và đã thu được một số kết quả đáng kể [4-5].
3. Kế hoạch và kiến nghị
3.1. Hai năm đầu

Tìm hiểu, nâng cao hiểu biết, kinh nghiệm về đề tài nghiên cứu thông qua tài liệu liên
quan và công việc làm thực nghiệm.

Chế tạo mẫu và thực hiện các phép đo cần thiết.

Tổng hợp số liệu viết bài tham dự hội nghị hoặc công bố trên tạp chí khoa học
chuyên ngành.
3.2. Hai năm cuối


Hoàn thành việc chế tạo mẫu và đo các tính chất vật lý của hệ mẫu đã chế tạo được.

Công bố kết quả đã đạt được trên các tạp chí khoa học và tham dự hội nghị chuyên
ngành.

Viết luận án và tiến hành bảo vệ theo quy định của Bộ Giáo dục và Đào tạo.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. R. Caballero-Flores, V. Franco, A. Conde, K. E. Knipling and M.
A.Willard, influence of Co and Ni addition on the magnetocaloric effect in
Fe
88-2x
Co
x
Ni
x
Zr
7
B
4
Cu
1
soft magnetic amorphous alloys, Applied physics
letters, 96, 182506 (2010).
2. J Kovac, P Svec, I Skorvanek, Magnetocaloric effect in amorphous and
nanocrystalline FeCrNbBCu alloys, Reviews on Advanced Materials
Science, 18, 533 (2008).
3. Dianzhen Wua, Sichuang Xue, Jan Frenzel, Gunther Eggelerc, Qijie
Zhai, Hongxing Zheng, Atomic ordering effect in Ni
50
Mn

37
Sn
13

magnetocaloric ribbons, Materials Science and Engineering A, 534, 568
(2012).
4. N. H. Duc, T. D. Thanh, N. H. Yen, P. T. Thanh, N. H. Dan, T. L. Phan,
Magnetic Properties and Magnetocaloric Effect in Ni
0.5
Mn
0.5-x
Sb
x

Alloys,
Journal of the Korean Physical Society, 60(3) (2012) 454-459.
5. T. L. Phan, N. H. Duc, N. H. Yen, P. T. Thanh, N. H. Dan, P. Zhang, S. C.
Yu, Magnetocaloric Effect in Ni
0.5
Mn
0.5-x
Sn
x

Alloys, IEEE Transactions on
Magnetics (2012), Acepted.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
7. 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).

8. Neese B. et al., Large electrocaloric effect in ferroelectric polymers near room
temperature, Science 321, 821-823 (2008).
9. 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).
10. 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).
11. 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).