Nghiên cứu hiệu ứng từ nhiệt lớn trên các hệ hợp kim nguội nhanh fe90 xcoxzr10 và lafe13 x ysixby

MỞ ĐẦU
Hiện nay, năng lượng và môi trường là hai vấn đề nóng bỏng của toàn
nhân loại. Chúng ta đang phải đối mặt với việc cạn kiệt các nguồn tài nguyên
thiên nhiên, các nguồn nhiên liệu hóa thạch. Vì vậy, việc nghiên cứu tạo ra
các nguồn năng lượng mới, việc tích trữ cũng như tiết kiệm năng lượng luôn
là những vấn đề hết sức cấp thiết. Bên cạnh vấn đề năng lượng, thì vấn đề ô
nhiễm môi trường sống đang khiến cho loài người phải đối mặt với rất nhiều
thách thức: trái đất nóng lên; thiên tai ngày một dữ dội, phức tạp, khó lường;
nước biển dâng; tầng ozon suy giảm… Đáp ứng với những vấn đề nóng bỏng
này, cộng đồng các nhà khoa học trên thế giới những năm gần đây đang quan
tâm đến nghiên cứu về vật liệu ứng dụng cho công nghệ làm lạnh thế hệ mới,
tiết kiệm năng lượng và không gây ô nhiễm môi trường. Đó là công nghệ làm
lạnh bằng từ trường dựa trên hiệu ứng từ nhiệt (Magneto Caloric Effect –
MCE , là sự thay đ i nhiệt độ đoạn nhiệt của vật liệu dưới tác dụng của từ
trường ngoài.
Hiệu ứng từ nhiệt được khám phá bởi Warburg vào năm 1881 và đ thu
hút được sự quan tâm nghiên cứu của các nhà khoa học từ đầu thế k 20 do
khả năng thu được các thông tin về trạng thái từ tính của vật liệu, hay việc
ứng dụng tạo ra nhiệt độ rất thấp đến cỡ micro Kelvin …Tuy nhiên, việc
nghiên cứu về các vật liệu từ nhiệt ch mang tính b ng n

trong khoảng 25

năm trở lại đây, sau khi một loạt các bài báo công bố các kết quả nghiên cứu
khả quan về MCE và những thành công bước đầu trong việc chế tạo máy làm
lạnh bằng từ trường. Số lượng các bài báo về MCE liên tục tăng c ng với việc
được coi như một trong chín chủ đề phát triển của Viện nghiên cứu về sự làm
lạnh quốc tế IIR đ phần nào nói lên tầm quan trọng và triển vọng phát triển
của vật liệu từ nhiệt.

1

Các thiết b làm lạnh bằng từ trường hoạt động trên nguyên l thay thế
chu trình làm lạnh bằng khí trong các máy lạnh truyền thống bằng chu trình
làm lạnh từ, với nhiều ưu điểm h n như: hiệu suất cao h n khoảng 30 , kích
thước nhỏ, độ bền c học tốt và không gây ô nhiễm môi trường.
Những nghiên cứu gần đây trên hệ hợp kim nguội nhanh nền kim loại
chuyển tiếp và đất hiếm cho thấy những vật liệu này có nhiều ưu điểm h n so
với các thế hệ vật liệu khác: cho biến thiên entropy từ lớn trong biến thiên từ
trường nhỏ, có nhiệt độ Curie dễ dàng được điều khiển bằng hiệu ứng thay
thế, có hệ số làm lạnh RC (Refrigerant Capacity) lớn, điều kiện công nghệ chế
tạo đ n giản, giá thành rẻ. Mặt khác, khi tiến hành x l nhiệt thích hợp m u
hợp kim s xuất hiện các pha tinh thể có kích thước nanomet. Khi đó, trên vật
liệu tính chất từ s có nhiều thay đ i có thể s cho hiệu ứng từ nhiệt tốt h n.
Với mục đích tìm kiếm các hợp kim nguội nhanh có hiệu ứng từ nhiệt lớn ở
v ng nhiệt độ ph ng, tôi quyết đ nh chọn đề tài: “Nghiên cứu hiệu ứng từ
nhiệt lớn trên các hệ hợp kim nguội nhanh Fe90-xCoxZr10 và LaFe13-x-ySixBy”.
c

c n

nc u

Chế tạo được các vật liệu có hiệu ứng từ nhiệt ở vùng nhiệt độ phòng.
Nội dung nghiên c u
- Chế tạo băng hợp kim nguội nhanh Fe90-xCoxZr10, LaFe13-x-ySixBy.
- Nghiên cứu tính chất từ, từ nhiệt trên các m u chế tạo được.
P ươn p áp n

nc u

Luận văn được tiến hành theo phư ng pháp thực nghiệm. Các hợp kim
ban đầu được chế tạo bằng lò hồ quang. Các m u băng hợp kim được chế tạo
bằng phư ng pháp phun băng nguội nhanh. Việc phân tích cấu trúc của m u
được thực hiện bằng phư ng pháp nhiễu xạ tia X. Tính chất từ của m u được
khảo sát trên hệ từ kế m u rung.

2


Nội dung của luận văn
Ngoài phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo, luận văn gồm 3
chư ng:
- Chư ng 1: T ng quan.
- Chư ng 2: Thực nghiệm.
- Chư ng 3: Kết quả và thảo luận.
Luận văn được thực hiện tại Phòng thí nghiệm Trọng điểm về Vật liệu
và Linh kiện Điện t , Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và
Công Nghệ Việt Nam.

3


Chương 1
TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU TỪ NHIỆT
VÀ HỢP KIM NGUỘI NHANH
1.1. Vật liệu từ nhiệt
1.1.1. Hiệu ng từ nhiệt
1.1.1.1. Cơ sở nhiệt ộng học của hiệu ng từ nhiệt
Hiệu ứng từ nhiệt (Magneto Caloric Effect - MCE) là sự thay đ i nhiệt độ

đoạn nhiệt của vật liệu dưới tác dụng của từ trường ngoài. Bản chất của hiệu ứng
là sự thay đ i entropy từ của vật liệu do sự tư ng tác của các phân mạng từ với
từ trường. Hiệu ứng này có mặt trong tất cả các vật liệu từ và biểu hiện với
cường độ khác nhau phụ thuộc vào bản chất của từng loại vật liệu.
Dựa vào các tiêu chuẩn khác nhau mà hiệu ứng từ nhiệt được phân loại
thành các dạng như sau: hiệu ứng từ nhiệt âm và dư ng hoặc hiệu ứng từ
nhiệt thường và kh ng lồ (Giant Magneto Caloric Effect – GMCE).

Hình 1.1. Mô hình mô tả hiệu ứng từ nhiệt[3].
Hình 1.1 giới thiệu về hiệu ứng từ nhiệt âm, đây là hiệu ứng mà vật liệu
từ nóng lên trong quá trình từ hóa và b lạnh đi khi b kh từ. Nếu quá trình
xảy ra ngược lại thì đó là hiệu ứng từ nhiệt dư ng. C n trường hợp vật liệu có
4


biến thiên entropy từ cực đại lớn h n 1 J/ kg.K với biến thiên thiên từ trường
H = 50 kOe được gọi là GMCE.
Nguyên nhân gây ra MCE được giải thích như sau: xét một hệ spin
thuận từ hoặc sắt từ, entropy của hệ được coi như là một t ng 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 t

entropy điện t . Trường hợp vật liệu không chứa đất hiếm

thì Se có thể bỏ qua [8].
Trong quá trình từ hóa hoặc kh từ đoạn nhiệt các entropy thành phần
(SM và SL) có thể thay đ i nhưng entropy t ng thì luôn giữ nguyên giá tr . Đối
với MCE âm, trong quá trình từ hóa đoạn nhiệt mômen từ sắp xếp trật tự theo
hướng của từ trường ngoài làm cho entropy từ của hệ giảm. Sự giảm của
entropy từ khiến cho entropy mạng phải tăng lên để đảm bảo entropy t ng
không đ i, nên nhiệt độ của vật liệu tăng. Ngược lại, trong quá trình kh từ
đoạn nhiệt các mômen từ có xu thế trở lại trạng thái mất trật tự ban đầu, do đó
làm tăng lại giá tr entropy từ, gây nên việc giảm entropy mạng, nên nhiệt độ
giảm. Quá trình s xảy ra ngược lại đối với trường hợp MCE dư ng.
Trên phư ng diện lý thuyết, các phư ng trình nhiệt động học được đưa
ra để mô tả mối tư ng quan giữa các thông số từ và các thông số nhiệt động
khác có liên quan. Hàm thế nhiệt động Gibb của một hệ kín vật liệu từ có thể
tích V, đặt trong từ trường H tại nhiệt độ T, áp suất p và nội năng U có dạng:
G(T, H, p) = U + pV -TS - MH

(1.2)

Lấy vi phân hàm G ta được:
dG = V dp - S dT - M dH

(1.3)

5


mà

S (T, H, p) = - ( G ) [H, p]

(1.4)

T

M(T, H, p) = -  ( G ) [T, p]

(1.5)

H

nên từ (1.4) và (1.5) ta có:
(

S (T , H )
) [T]
H

= ( M (T , H ) )[H]

(1.6)

T

Lấy tích phân hai vế theo H từ giá tr H1 đến H2 ta thu được giá tr biến
thiên entropy từ tại nhiệt độ T:
∆SM(T) = S(T, H2) – S(T, H1) =

H2

(

H1

M (T , H )
)[ H ] dH
T

(1.7)

Phư ng trình 1.7 cho thấy biến thiên entropy từ phụ thuộc vào từ
trường.
Nhiệt dung của hệ : C(T, H)[H] = T( S ) [H]
T

(1.8)

Nhân cả hai vế của (1.6) với TdS và s dụng các phư ng trình c bản
dQ = CdT và dQ = - TdS, ta có:
 T
  M (T , H ) 
dT   

 dH
T

 C (T , H )  

(1.9)

Tích phân theo H từ H1 đến H2 ta được độ biến thiên nhiệt độ đoạn

nhiệt là:
Tad

H2

  M T , H  
T
T
,
H


   
 
 dH
C
T
,
H

T


[ H ]
H1 


(1.10)

Từ các phư ng trình 1.7 và 1.10 xác đ nh được biến thiên entropy từ

và biến thiên nhiệt độ đoạn nhiệt. Từ đó, có thể rút ra các kết luận sau [9]:
 M 
 lớn nhất tại nhiệt độ chuyển pha TC
 T [ H ]

1. Với các vật liệu sắt từ, 

do đó SM T  H  s có một đ nh tại TC.
2. Quá trình đốt nóng (hoặc làm lạnh đoạn nhiệt có thể đo được tại
6


vùng nhiệt độ cao ch khi trật tự pha rắn sắp xếp một cách tự phát khi đó
 M 

 s đạt đến một độ lớn đáng kể).
 T [ H ]

3. Khi từ trường ngoài không đ i, từ độ của vật liệu thuận từ hoặc từ
 M 

 0  , do đó ∆SM T  s mang dấu âm
mềm giảm khi nhiệt độ tăng  

  T  H 

 H 



và ∆Tad T  H mang dấu dư ng.




4. Một cách gần đúng, có thể xem biến thiên nhiệt độ đoạn nhiệt t lệ
ngh ch với nhiệt dung và cùng t lệ thuận với biến thiên entropy từ và nhiệt độ
hoạt động.
5. Đối với các chất thuận từ, giá tr ∆Tad T  H là đáng kể ch khi nhiệt
 
độ xuống thấp gần độ không tuyệt đối.
1.1.1.2. P ươn p áp án

á

ệu ng từ nhiệt của vật liệu

Để đánh giá hiệu ứng từ nhiệt của vật liệu ta thường dựa vào hai đại
lượng là biến thiên entropy từ SM và biến thiên nhiệt độ đoạn nhiệt Tad,
chúng được ch ra trong các phư ng trình 1.7 và 1.10 . Để tìm được giá tr
các đại lượng trên ta thường dùng một trong hai phư ng pháp sau:
- Phương pháp trực tiếp
Phư ng pháp đo này thực hiện bằng cách đặt m u vào buồng cách nhiệt
có thể điều khiển được nhiệt độ. Điều ch nh từ trường ngoài để từ hóa hoặc
kh từ m u. Nhiệt độ của m u được ghi nhận bằng một cảm biến nhiệt, số
liệu thu được cho ta giá tr biến thiên nhiệt độ đoạn nhiệt Tad. Ưu điểm của
phư ng pháp này là cho trực tiếp giá tr biến thiên nhiệt độ đoạn nhiệt. Tuy
nhiên, cách này khó thực hiện vì phải đảm bảo điều kiện vật không trao đ i
nhiệt với bên ngoài trong suốt quá trình đo.

7


- Phương pháp gián tiếp
Đây là phư ng pháp được d ng ph biến hiện nay. Theo cách này ta
xác đ nh biến thiên nhiệt độ đoạn nhiệt Tad thông qua giá tr biến thiên
entropy từ  SM và một số đại lượng khác liên quan. Cách này có độ chính xác
không cao, nhưng lại dễ tiến hành nên được d ng rộng rãi và trong luận văn
này chúng tôi cũng d ng để đánh giá hiệu ứng từ nhiệt của vật liệu.
Trong cách đo gián tiếp ta tìm  SM thông qua phép đo từ độ M phụ
thuộc vào từ trường H ở các nhiệt độ T khác nhau thông qua biểu thức 1.7.
H

trong đó  MdH là diện tích phần được chắn bởi đường cong từ hóa M (H) và
0

trục hoành.

Hình 1.2. Hệ đường cong từ hóa đẳng nhiệt của một vật liệu có
hiệu ứng từ nhiệt [3].
8


Tóm lại, ta đo một loạt các đường cong từ hóa đẳng nhiệt ở các nhiệt
độ khác nhau hình 1.2 sau đó xác đ nh diện tích chắn bởi đường cong từ hóa
và trục hoành, giá tr biến thiên entropy từ  SM là hiệu các diện tích liên tiếp
chia cho biến thiên nhiệt độ.
1.1.1.3. Tiêu chuẩn lựa chọn vật liệu từ nhiệt
Tùy thuộc vào công nghệ chế tạo, bản chất của hiệu ứng từ nhiệt và các
lý thuyết phân tích tư ng ứng mà các vật liệu từ s dụng trong việc làm lạnh

bằng từ trường cần được thỏa mãn một số tiêu chí sau:
- Sự biến thiên entropy từ SM và sự thay đ i nhiệt độ đoạn nhiệt Tad đạt
giá tr lớn trong biến thiên từ trường.
- Mật độ của entropy từ lớn, đây là một nhân tố quan trọng góp phần vào
hiệu suất hoạt động của các vật liệu.
- Entropy mạng nhỏ nghĩa là nhiệt độ Debye cao).
- Nhiệt độ Curie nằm trong vùng lân cận của nhiệt độ ph ng để đảm bảo
rằng sự thay đ i entropy từ lớn có thể thu được trong dải nhiệt độ phòng
của chu trình.
- Độ từ trễ giảm gần không.
- Hiện tượng trễ nhiệt rất nhỏ.
- Nhiệt dung riêng nhỏ và tính d n nhiệt lớn để đảm bảo rằng sự trao đ i
nhiệt xảy ra nhanh chóng và sự thay đ i nhiệt độ là đáng kể.
- Điện trở suất lớn.
- Độ n đ nh về mặt hóa học cao và việc t ng hợp m u đ n giản, giá thành
thấp.
1.1.2. Sự phát triển của vật liệu từ nhiệt
L ch s phát triển của vật liệu từ nhiệt bắt đầu từ những năm đầu của
thế k 20. Trong suốt quá trình phát triển từ đó đến nay, việc nghiên cứu vật
liệu này tập trung vào hai xu hướng. Xu hướng thứ nhất là nghiên cứu các vật
9


liệu có MCE lớn xảy ra vùng nhiệt độ thấp để dùng cho kỹ thuật tạo nhiệt độ
rất thấp. Xu hướng thứ hai là nghiên cứu các vật liệu có MCE lớn ở xung
quanh nhiệt độ ph ng để s dụng trong các máy lạnh thay thế cho máy lạnh
truyền thống s dụng chu trình nén khí. Những nghiên cứu và ứng dụng của
loại vật liệu này đ trải qua quá trình phát triển không ngừng và đạt được một
số thành tựu tiêu biểu như sau:
Hiệu ứng từ nhiệt lần đầu tiên được ứng dụng vào năm 1933 để dùng

trong các máy tạo nhiệt độ thấp (cỡ 0,3 K) bằng cách kh từ đoạn nhiệt các
muối thuận từ. Những năm tiếp theo vật liệu được phát triển h n nữa để tạo ra
nhiệt độ rất thấp (cỡ mK để s dụng trong các thiết b đo đạc tinh vi ở nhiệt
độ gần độ không tuyệt đối. Tuy nhiên, các thiết b này thường có kích thước
lớn, chi phí vận hành cao và đặc biệt là phạm vi ứng dụng h p. Tới năm 1976,
một thay đ i mang tính bước ngoặt được đánh dấu bằng sự kiện Brown ứng
dụng vật liệu từ nhiệt vào chế tạo máy lạnh với rất nhiều ưu điểm như: cấu tạo
chắc chắn, tiếng ồn nhỏ, hiệu suất cao và không gây ô nhiễm môi trường.
Hình 1.3 cho ta s đồ nguyên lý của quá trình làm lạnh bằng từ trường so với
quá trình làm lạnh bằng khí nén thông thường.

a)

b)

Hình 1.3. Sơ đồ nguyên lý máy lạnh dùng khí nén (a)
và dùng từ trường (b)[3].
10


Năm 1997, nhóm của Pecharsky và Gscheidner [15] thuộc ĐH T ng
hợp Iowa đ chế tạo thành công một máy lạnh dùng từ trường ở vùng nhiệt độ
phòng. Chiếc máy này hoạt động dưới tác dụng của nam châm siêu d n. Vật
liệu từ nhiệt được s dụng ở đây là kim loại Gd. Tuy nhiên, máy v n cồng
kềnh và đắt tiền nên không được ứng dụng trong thực tiễn. Cũng trong năm
đó, nhóm đ tìm thấy GMCE trong hợp kim GdSiGe (GSG). Kết quả nghiên
cứu cho thấy SM và Tad của các hợp kim GSG lớn h n kim loại Gd cỡ 70%
- 80 . Đây là một trong những thành quả nghiên cứu quan trọng, góp phần
thúc đẩy sự phát triển của vật liệu từ nhiệt.
Tận dụng ngay những kết quả thú v về GMCE. Năm 2001, công ty

Astronautic Corporation đ giới thiệu m u máy lạnh từ nhiệt thế hệ thứ hai
hình 1.4 . Máy này cũng d ng hợp kim chứa Gd làm chất làm lạnh và hoạt
động ở nhiệt độ phòng. Điểm cải tiến của máy là từ trường được tạo ra bằng
nam châm vĩnh c u nên kích thước nhỏ gọn h n rất nhiều so với các máy
cùng loại trước đó. Như vậy ta thấy việc tìm ra các vật liệu từ nhiệt cho biến
thiên entropy từ lớn trong vùng biến thiên nhỏ của từ trường có

nghĩa rất

lớn về mặt ứng dụng, nó cho phép giảm kích thước và giá thành sản phẩm.
Từ trường
Vật liệu từ nhiệt

Hình 1.4. Máy lạnh dùng nam châm vĩnh cửu [3].
11


Dựa vào các kết quả đ công bố nêu trên, các nhà khoa học và các công
ty lúc này đ nhận thấy sự làm lạnh bằng từ trường ở nhiệt độ phòng là một
công nghệ an toàn với môi trường với nhiều ưu điểm n i bật. Do vậy, như
một sự tất yếu, rất nhiều phòng thí nghiệm ở Mỹ, Nhật, Trung Quốc và Châu
Âu tập trung nghiên cứu và liên tiếp công bố những kết quả rất đáng ghi nhận.
Vào năm 2003, Tishin và cộng sự đ công bố tài liệu trình bày chi tiết sự phát
triển của các vật liệu từ nhiệt và ứng dụng của chúng, bao gồm: Gd và các
hợp kim của nó; perovkite và các hợp chất giống như perovkite; các hợp chất
chứa kim loại chuyển tiếp và vật liệu composite.
Năm 2003, h ng Toshiba đ cho ra đời máy làm lạnh bằng vật liệu từ
nhiệt ở dạng thư ng phẩm đầu tiên (hình 1.5). Máy có công suất 60 W, có thể
cho biến đ i nhiệt độ tới 20 K với kim loại Gd làm chất hoạt động. Từ khi
Toshiba giới thiệu sản phẩm trên đến nay, chưa có bất kì máy lạnh thư ng

phẩm nào được ra đời. Tuy nhiên, chủ đề về vật liệu từ nhiệt v n đang rất
nóng bỏng trên thế giới. Nhiều công ty hứa h n s sớm cho ra mắt th trường
các sản phẩm làm lạnh bằng từ trường.

Vật liệu từ nhiệt

Nam châm vĩnh cửu

Hình 1.5. Máy làm lạnh bằng từ trường của hãng Toshiba [3].
12


Năm 2007, Phan và Yu đ trình bày về một nhóm các vật liệu từ nhiệt
mới, đó là perovskite maganite R1-xMxMnO3 (R là La, Nd hoặc Pr; M là Ca,
Sr hoặc Ba). Hợp chất này không cho giá tr biến thiên nhiệt độ đoạn nhiệt
cao nhưng chúng lại có giá thành rẻ và dễ chế tạo. Tiếp đó, nhóm của Bruck
[5] đ đưa ra kết quả nghiên cứu về vật liệu có MCE ở quanh nhiệt độ phòng
gồm: Gd5(GeSi)4 và các hợp chất liên quan; La(FeSi)13 và các hợp chất liên
quan; các hợp phần nền MnAs và hợp kim Heusler.
Công nghệ làm lạnh s dụng vật liệu từ nhiệt có thể được s dụng trong
nhiều lĩnh vực khác nhau như: máy lạnh dân dụng, máy lạnh công nghiệp,
máy hóa lỏng khí và máy điều hòa. Hiện nay, làm lạnh bằng từ trường được
xem là một trong những chủ đề phát triển của Viện nghiên cứu về sự làm lạnh
quốc tế (IIR). Với những nghiên cứu được đầu tư cả về chất xám và kinh
phí như hiện nay, chúng ta có thể hy vọng trong tư ng lai không xa s có
những thiết b làm lạnh bằng từ trường được ứng dụng rộng rãi, mang lại sự
tiện ích cho cuộc sống của con người.
1.1.3. Những vật liệu từ nhiệt tiêu biểu
Trong những năm gần đây, liên tiếp các công trình nghiên cứu về vật
liệu từ nhiệt được công bố. Các hướng nghiên cứu tập trung chính vào 4 họ

vật liệu sau: các hợp kim liên kim loại, vật liệu gốm perovskite maganite, hợp
kim nguội nhanh và hợp kim Heusler.
- Hợp kim liên kim loại (intermetallic)
Trong các kim loại thì Gd n i lên là vật liệu cho hiệu ứng từ nhiệt lớn
với |∆Sm|max = 4,2 J/(kg.K) trong biến thiên từ trường ∆H = 15 kOe và TC =
297 K. Vì vậy, không có gì ngạc nhiên khi đa số các hợp kim liên kim loại có
MCE lớn đều chứa Gd. Nếu như bản thân kim loại Gd có những hạn chế như:
khó điều ch nh vùng nhiệt độ hoạt động, kém bền với môi trường, giá thành

13


cao thì các hợp kim của kim loại này đ khắc phục được một phần các nhược
điểm đó.
Năm 1997, nhóm của Gschneider nghiên cứu hợp kim GdSiGe với giá
tr biến thiên entropy từ lớn h n Gd và giá thành rẻ h n. Tiêu biểu là m u
Gd5Ge2Si2 có |∆Sm|max = 5 J/(kg.K) với ∆H = 20 kOe và TC = 295 K [15].
C ng hướng nghiên cứu đó, nhóm của Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
đạt được |∆SM|max = 6,2 J/(kg.K) với ∆H = 13,5 kOe và TC = 290 K. Vào thời
điểm đó, đây là một kết quả rất đáng m ước của các phòng thí nghiệm
nghiên cứu về vật liệu từ nhiệt.
Nhóm nghiên cứu của Chen và đồng nghiệp [19] đ nghiên cứu tính
chất từ của Gd5Si2-xGe2-xSn2x (x = 0,05; 0,1; 0,15; 0,2; 0,25 và 0,5). Họ đ
công bố rằng SM của hợp kim Gd5Si2-xGe2-xSn2x tăng theo nồng độ của Sn.
Đối với x ≤ 0,2, các hợp kim có một pha của cấu trúc tinh thể loại Gd5Si2Ge2
đ n tà chiếm ưu thế và một lượng nhỏ các pha loại Gd5Si4 tại nhiệt độ phòng,
pha này s giảm khi nồng độ Sn tăng. SM cực đại của Gd5Si1,75Ge1,75Sn0,5 đạt
tới 16,7 J/(kg.K) với sự thay đ i từ trường là 18 kOe tại nhiệt độ TC = 269 K.
Trong khi hướng nghiên cứu các hợp kim liên kim loại chứa Gd đang
rất sôi n i thì một số phòng thí nghiệm đ mạnh dạn chuyển hướng tìm hiểu

sang hợp kim khác như R5T4 (R là nguyên tố đất hiếm; T là Si, Ge hoặc Sn).
Sự tập trung vào các hợp kim này không những do GMCE của chúng, mà còn
bởi các đặc tính thú v khác như: hiện tượng từ giảo kh ng lồ và hiện tượng từ
trở kh ng lồ.
Ưu điểm của các hợp kim liên kim loại là có nhiệt dung thấp và cho
biến thiên entropy từ lớn. Tuy nhiên, kèm theo đó là rất nhiều nhược điểm
như: khó điều khiển giá tr TC, biến thiên entropy từ lớn ch đạt được khi biến
thiên từ trường lớn, m u chứa đất hiếm nên độ bền thấp, giá thành cao và
công nghệ chế tạo phức tạp.
14


- Vật liệu perovskite manganite
Vật liệu perovskite nói chung có tính chất vật lý rất đa dạng và gồm
nhiều họ khác nhau như: họ manganite, họ titanat, họ cobaltit,… Trong những
họ vật liệu này thì manganite cho ta MCE lớn nhất. MCE của maganite được
quan tâm vào những năm cuối thập k 90. Sự biến đ i nhiệt độ đoạn nhiệt của
chúng không ấn tượng nhưng được bù lại bằng một số tính chất n i bật khác.
Cụ thể như sau:
Khi sự thay đ i của từ trường là 60 và 80 kOe, các giá tr cực đại của
SM trong hợp kim (La0,5Gd0,2)Sr0,3MnO3 đạt được là 7,2 và 8,8 J/(kg.K).
MCE ở trên có thể phù hợp dùng cho các tủ lạnh từ đ có mặt trong các năm
gần đây. Tuy nhiên, TC của đa số các manganite còn cách xa nhiệt độ phòng,
điều này s làm hạn chế những ứng dụng của chúng. Vấn đề trên có thể khắc
phục được bằng cách thay thế các nguyên tố. Ví dụ, hợp kim La0,7Sr0,3MnO3
là một chất sắt từ có hiệu ứng từ nhiệt đáng kể với TC lớn h n nhiều nhiệt độ
ph ng, sau đó TC được làm thấp xuống tới gần nhiệt độ phòng khi ion La
được thay thế bởi ion Er và Eu.
Ở Việt Nam, kết quả nghiên cứu trên hệ La0,7Sr0,3MnO3 của giáo sư
Nguyễn Châu và đồng nghiệp đạt được giá tr biến thiên entropy từ 2,68

J/(kg.K) ở nhiệt độ 315 K trong biến thiên từ trường 13,5 kOe. Kết quả
nghiên cứu của giáo sư Nguyễn Hoàng Lư ng và đồng nghiệp trên hệ m u
(La0,4Nd0,6)0,7Sr0,3MnO3 đ đạt được biến thiên entropy từ cỡ 3,56 J/(kg.K) tại
nhiệt độ 293 K khi biến thiên từ trường cũng là 13,5 kOe.
Trên thế giới, nhóm của Das và Dey đ nghiên cứu họ manganite có
chứa K của hệ La1-xKxMnO3 (x = 0,05; 0,1 và 0,15) với kích thước tinh thể
cỡ nanômet. Họ đ cho thấy khi nồng độ K tăng dần (từ x = 0,05 đến x =
0,15) thì TC của hợp chất tăng từ 260 K lên đến 309 K. Việc tăng nồng độ K
cũng làm tăng giá tr cực đại của SM lên tới 3 J/(kg.K) tại ΔH = 10 kOe.
15


Điểm mạnh của vật liệu maganite là dễ điều khiển được nhiệt độ hoạt
động, công nghệ chế tạo đ n giản và độ bền hóa học cao. Tuy nhiên, một
nhược điểm rất khó khắc phục của vật liệu này là biến thiên entropy từ lớn ch
đạt được trong biến thiên từ trường cao. Với những trường hợp d đ cho ra
entropy từ lớn nhưng giá tr biến thiên nhiệt độ đoạn nhiệt v n thấp vì nhiệt
dung của họ vật liệu này khá lớn. Mặt khác, vật liệu rất nhạy với các biến
động về áp suất và nhiệt độ, làm cho giá tr biến thiên nhiệt độ đoạn nhiệt
không n đ nh. Chính vì những nhược điểm này nên nghiên cứu về MCE
trong vật liệu maganite trong thời gian gần đây đang chậm lại.
- Hợp kim nguội nhanh
Các hợp kim nguội nhanh vô đ nh hình là đề tài mới được quan tâm gần
đây. Loại vật liệu này có ưu điểm n i bật là tính từ mềm – tính chất quan
trọng trong việc ứng dụng vật liệu từ nhiệt vào các máy lạnh dân dụng.
Tại Việt Nam, nhóm của giáo sư Nguyễn Châu [2] đ nghiên cứu hiệu
ứng từ nhiệt lần đầu tiên trên vật liệu Fe73,5Si13,5B9Nb3Cu1. Hợp kim này đ
được nhóm nghiên cứu rất lâu và phát hiện ra những đặc tính quan trọng của
nó như: mômen từ lớn, tính đồng nhất cao và có tính từ mềm rất tốt. Biến
thiên entropy từ cực đại đạt được 13,9 J/ kg.K trong ΔH = 13,5 kOe nhưng

xảy ra ở nhiệt độ cao. Để khắc phục nhược điểm này, nhóm nghiên cứu đ
cho ra đời họ vật liệu thứ hai là Fe78Si4Nb5B12Cu1. Hợp kim có TC = 450 K,
đạt được |∆SM|max = 11,2 J/(kg.K) trong biến thiên từ trường 13,5 kOe. Có thể
nói đây là một kết quả rất thú v với sáng kiến giảm lượng Si, tăng lượng Nb
và Fe nhằm tăng mômen từ. Với sự thay đ i này, nhiệt độ chuyển pha có giảm
nhưng v n ở mức cao. Với mong muốn tiếp tục giảm nhiệt độ chuyển pha thì
nhóm nghiên cứu đ tiến hành thay thế một phần Fe bằng Cr (một nguyên tố
phản sắt từ để cho ra hệ Fe78-xCrxSi4Nb5B12Cu1. Ta biết rằng, nhiệt độ Curie
phụ thuộc vào cường độ tư ng tác trao đ i giữa các nguyên tố sắt từ (trong
16


hợp kim vô đ nh hình thì chính là t lệ thuận với hàm lượng các nguyên tố sắt
từ). Việc s dụng Cr thay thế một phần Fe s làm xuất hiện tư ng tác Fe - Cr,
giảm đi tư ng tác Fe - Fe, do đó s d n đến giảm nhiệt độ Curie. Thực tế, với
việc thay thế Cr cho Fe nhóm đ đạt được kết quả TC = 307 K, |∆SM|max = 8,1
J/ kg.K đối với hệ m u Fe71Cr7Si4Nb5B12Cu1 và TC = 297 K, |∆SM|max = 8,16
J/ kg.K đối với hệ m u Fe70Cr8Si4Nb5B12Cu1 trong cùng từ trường 13,5 kOe.
Nhiệt độ Curie đ giảm đáng kể mặc dù biến thiên entropy từ có giảm đôi
chút so với hợp phần ban đầu [2].
Ưu điểm lớn của các hợp kim nguội nhanh vô đ nh hình: có biến thiên
entropy từ lớn, có nhiệt độ Curie dễ dàng được điều khiển bằng phư ng pháp
thay thế, nhiệt dung nhỏ và tính trễ nhiệt thấp. Tuy nhiên, chúng có chuyển
pha từ không được sắc nét như một số hợp kim khác. Ngoài ra, tính chất từ
của vật liệu này phụ thuộc rất nhiều vào công nghệ chế tạo và t phần các
nguyên tố.
- Hợp kim Heusler
Hợp kim Heusler được phát hiện từ lâu nhưng ch đến gần đây thì hiệu
ứng từ nhiệt của vật liệu này mới được khai thác. Năm 2003, Zhang và cộng
sự đ chế tạo và nghiên cứu hệ hợp kim Fe2MnSi1-xGex bằng phư ng pháp

phản ứng pha rắn [18]. Chế độ ủ nhiệt ở nhiệt độ cao làm biến đ i pha DO3
thành pha DO19 đ n giản (x = 1) hoặc là hỗn hợp hai pha DO3 và DO19 (x =
0,6 và 0,8). Biến thiên entropy từ |∆SM|max đạt 1,7 J/(kg.K) trong biến thiên từ
trường 50 kOe, nhiệt độ chuyển pha TC = 260 K. Năm 2006, Li và cộng sự
của ông đ tìm hiểu về ảnh hưởng của việc b sung Nb lên tính chất từ và từ
nhiệt của hợp kim CoNbxMn1-xSb. Nhiệt độ Curie của các hợp chất này giảm
không đáng kể khi thay đ i nồng độ Nb. Tuy nhiên, điều này lại làm giảm
mạnh MCE của hợp kim [12].
Hiện nay, trong những hợp kim Heusler thì họ vật liệu nền Ni-Mn đang
17


rất được chú ý. Bằng cách thay đ i hàm lượng Mn hoặc b sung các nguyên
tố khác ta có thể kiểm soát được phạm vi nhiệt độ làm việc của chúng trong
các ứng dụng làm lạnh bằng từ trường. Ví dụ, m u Ni0,5Mn0,5 có vùng nhiệt
độ làm việc xung quanh nhiệt độ ph ng nhưng MCE khá nhỏ. Tuy nhiên, ch
cần pha thêm Ga, Sb hay Sn với hàm lượng thích hợp thì đ cho MCE lớn
h n gấp nhiều lần. Việc thêm Ga được phát triển đầu tiên và cho MCE rất
cao. Mặt khác, chúng còn thể hiện hiệu ứng nhớ hình được kết hợp với sự
biến đ i cấu trúc [14]. Với một nồng độ hợp lý có thể nhiệt độ chuyển pha cấu
trúc trùng khớp với nhiệt độ chuyển pha từ, điều này xảy ra s cho ta biến
thiên entropy từ rất lớn.
Ưu điểm của vật liệu Heusler là có khả năng cho MCE lớn trong vùng
nhiệt độ ph ng, có điện trở suất lớn, giá thành rẻ và chế tạo không quá phức
tạp. Tính nhạy cao của MCE với cấu trúc của vật liệu là một lợi thế tiềm năng
để điều ch nh hiệu ứng từ nhiệt.
1.2. Hợp kim nguội nhanh
1.2.1. Công nghệ nguội nhanh
Phư ng pháp phun băng nguội nhanh lần đầu tiên được thực hiện vào
năm 1960 bởi nhóm của P. Duwez ở Viện Công nghệ Califonia (Hoa kỳ).

Nhóm này đ chế tạo thành công một loạt các hợp kim vô đ nh hình như
AuSi, AgCu, AgGe…[5, 6]. Đây là kỹ thuật làm hóa rắn nhanh hợp kim nóng
chảy. Lúc mới phát minh người ta d ng phư ng pháp này với mục đích tạo ra
dung d ch rắn giả bền cho kim loại, sau đó nó được phát triển để tạo ra hợp
kim rắn giữ được cấu trúc của hợp kim nóng chảy, nghĩa là phải rắn nhanh và
có dạng băng nên gọi là băng nguội nhanh.
Nguyên tắc của phư ng pháp phun băng nguội nhanh là làm lạnh hợp
kim nóng chảy với tốc độ lớn h n tốc độ làm nguội tới hạn. Để có thể thu
nhiệt của vật liệu người ta dùng một trống quay có bề mặt rất nhẵn thường là
18


làm bằng đồng) cho quay với tốc độ lớn làm môi trường thu nhiệt của hợp
kim nóng chảy [5, 11, 13, 16]. Hợp kim được hóa lỏng trong một nồi nấu đặc
biệt theo phư ng pháp nóng chảy cảm ứng bằng d ng điện cao tần. Nồi nấu
thường là một ống thạch anh có đường kính đầu vòi khoảng 0,5 đến 1 mm và
được đặt gần sát bề mặt trống. Khi hợp kim đ nóng chảy thì lực căng bề mặt
tại đầu vòi không cho hợp kim chảy qua v i phun, lúc đó cần phải có một áp
suất tác dụng lên khối hợp kim nóng chảy để đẩy chúng ra ngoài. Hợp kim
lỏng được nén bởi áp lực của d ng khí tr

Ar và chảy qua khe vòi, phun lên

mặt trống đồng đang quay. Vì miệng v i phun đặt gần mặt trống nên hợp kim
lỏng được giàn mỏng và bám trên mặt trống đồng trong khoảng thời gian rất
ngắn cỡ 10-2  10-3 s, trong khoảng thời gian này nhiệt độ hợp kim giảm từ
nhiệt độ nóng chảy ( 1500 K) xuống nhiệt độ phòng, tức là T  103 K. Tốc
độ nguội được tính bằng công thức R = T/t. Hợp kim lỏng b đông cứng lại
khi tiếp xúc với trống đồng, sau đó văng ra khỏi mặt trống. Trong trường hợp
hợp kim có chứa nguyên tố đất hiếm hoặc các nguyên tố dễ b oxy hoá, quá

trình tạo băng phải được thực hiện trong môi trường chân không cao hoặc khí
tr

Ar, He... để bảo vệ. Hợp kim có thể được tiếp tục làm nguội bởi khí

trong buồng phun và thành băng. Bằng cách này có thể làm nguội hợp kim
nóng chảy với tốc độ nguội từ 105 K/s đến 106 K/s. Do tốc độ nguội nhanh
nên quá trình kết tinh không k p xảy ra, sản phẩm là băng hợp kim (có chiều
dày từ 15-50 m và được gọi là kim loại thủy tinh hay hợp kim vô đ nh hình.
Tuy nhiên, nếu tốc độ quay của trống đồng không đủ lớn thì m u băng s b
kết tinh một phần hoặc hoàn toàn.
Băng hợp kim có thể được x lý nhiệt để thu được vi cấu trúc và tính
chất mong muốn. Khi hợp kim vô đ nh hình được x lý nhiệt, thường xảy ra
quá trình tái kết tinh: G → G’ +  +  +  (G,G’: các pha vô đ nh hình, , , 
các pha tinh thể . Như vậy, có hai cách điều khiển sự hình thành các hạt nano
19


tinh thể trong hợp kim cấu trúc nanô, được thực hiện bởi phư ng pháp phun
băng nguội nhanh. Cách thứ nhất, dựa trên sự biến đ i tốc độ nguội nhanh của
hợp kim nóng chảy. Nếu tốc độ làm nguội phù hợp, băng nguội nhanh thu
được s có cấu trúc nanô tinh thể. Cách thứ hai, dựa trên sự biến đ i của điều
kiện ủ nhiệt cho băng hợp kim vô đ nh hình sau quá trình phun băng.
 Các p ươn p áp p un băn n uội nhanh
- Phương pháp nguội nhanh đơn trục
Phư ng pháp nguội nhanh đ n trục là phư ng pháp nguội nhanh trên
một trống quay được quay với tốc độ cao (hình 1.6). Hợp kim được phun trên
bề mặt trống, nhờ bề mặt nhẵn bóng mà hợp kim được dàn mỏng và được thu
nhiệt rất nhanh.
D ng khí đẩy

Hợp kim nóng chảy

Cuận cảm ứng

Băng nguội nhanh
Trống quay

Hình 1.6. Sơ đồ nguyên lý của hệ phun băng nguội nhanh đơn trục.
Độ dày của băng hợp kim phụ thuộc vào các yếu tố: độ lớn của đường
kính vòi phun, áp suất khí đẩy khi phun băng, khoảng cách từ v i phun đến
mặt trống và tốc độ trống quay. Phư ng pháp này dễ tiến hành và giá thành
thấp nhưng có nhược điểm là dễ xảy ra sự sai khác về cấu trúc cũng như tính
chất bề mặt ở cả hai phía của băng hợp kim, đồng thời sự lặp lại về chiều dày
của băng hợp kim thường không cao [11].
20


- Phương pháp nguội nhanh hai trục
Phư ng pháp nguội nhanh hai trục hình 1.7 là phư ng pháp s dụng
hai trống quay đặt tiếp xúc với nhau và quay ngược chiều nhau. Hợp kim
được làm lạnh giữa hai khe của bề mặt trống, vừa b làm lạnh vừa b cán ép
nên có độ dày rất chuẩn xác (ch phụ thuộc vào khoảng cách giữa hai trống)
đồng thời tính chất hai bề mặt sai khác rất ít. Nhưng điểm khó của phư ng
pháp này là tính đồng bộ giữa hai trống quay.

Hình 1.7. Sơ đồ nguyên lý thiết bị phun băng trống quay đôi.
Điểm quan trọng của phư ng pháp nguội nhanh hai trục là chế tạo các
trống quay trên mỗi trục phải cực kỳ chính xác độ rung của bề mặt trống rất
thấp ch cỡ vài micromet , đồng thời bề mặt của các trống phải được x lý rất

sạch và nhẵn. Các trống thường được chế tạo bằng các kim loại có khả năng
thu nhiệt nhanh và ít b ôxi hóa. Vật liệu ph biến được dùng là hợp kim của
đồng. Để chế tạo các băng hợp kim đặc biệt chứa các kim loại dễ b ôxi hóa
như băng hợp kim từ cứng, người ta đặt cả hệ trong môi trường bảo vệ được
hút chân không cao hoặc được nạp các khí bảo vệ).
- Phương pháp nguội nhanh ly tâm
Phư ng pháp nguội nhanh ly tâm hình 1.8 là phư ng pháp s dụng
21


đĩa quay với tốc độ lớn thay cho trống đồng trong hai phư ng pháp trên. Hợp
kim lỏng được phun trên mặt đĩa và được làm lạnh đông cứng) khi tiếp xúc
với bề mặt đĩa quay, trong phư ng pháp này đĩa quay là môi trường thu nhiệt
nhanh. Vì đĩa quay với tốc độ lớn nên hợp kim b văng ra do tác dụng của lực
ly tâm.

Hình 1.8. Sơ đồ nguyên lí thiết bị phun băng nguội nhanh ly tâm.
Tùy theo yêu cầu khác nhau về độ mỏng của băng mà người ta có thể
s dụng các phư ng pháp khác nhau để chế tạo vật liệu. Nếu cần băng có độ
dày từ 20  30 m người ta thường d ng phư ng pháp nguội nhanh đ n trục
hay ly tâm. Nếu cần băng có độ dày lớn h n 100 m người ta d ng phư ng
pháp hai trục. Tuy nhiên, phư ng pháp nguội nhanh đ n trục được s dụng
nhiều nhất, vì phư ng pháp này đ n giản, dễ điều khiển và cho năng suất cao
1.2.2. Tính chất của hợp kim nguội nhanh
 Tính chất cơ
Đặc điểm quan trọng của kim loại vô đ nh hình là có thể có độ cứng và
độ bền vững cao. Ví dụ, trong hợp kim với kim loại nền là nhóm sắt như Fe,
Co, Ni thì độ cứng có thể đạt giá tr trên 1000 và độ bền cao h n 4,0 GN/m 2.
Số liệu này cao h n giá tr cực đại về độ cứng và độ bền vững của các vật liệu
kim loại đang được s dụng hiện nay.

22


Độ cứng và độ bền vững thay đ i là do sự phụ thuộc vào thành phần
hoá học của hợp kim. Yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến đặc tính bền vững của
hợp kim vô đ nh hình là thành phần hoá học của nó. Trong các hợp kim có
c ng nguyên tố kim loại c bản thì tính chất bền vững biến đ i phụ thuộc vào
loại và số lượng nguyên t á kim. Nếu trong hợp kim vô đ nh hình mật độ
nguyên t á kim mà không thay đ i thì độ cứng và độ bền s có thể điều tiết
được bằng cách cho thêm nguyên tố kim loại vào hợp kim.


n m n hoá h c
Ngay từ những năm 40 của thế k 20, người ta đ biết hợp kim Nikel

hoặc Coban với hàm lượng 10 - 30

nguyên t phốt pho và được tạo ra bằng

cách điện phân trong dung d ch axit phốtphoric là một hợp kim vô đ nh hình
bền vững với sự ăn m n hoá học. Nhưng sản xuất hợp kim vô đ nh hình thời
đó bằng phư ng pháp điện phân c n có những hạn chế nhất đ nh như thành
phần mà hợp kim nhận được, hay giá thành sản xuất cao. Vì vậy những khảo
sát khi đó không nhận được sự quan tâm đúng mức và sớm đi vào quên l ng.
Do tốc độ làm nguội quá nhanh nên cấu trúc của hợp kim vô đ nh hình
gần với sự đồng nhất lí tưởng. Ta lại biết rằng sự ăn m n của các vật liệu tinh
thể trong tự nhiên thường bắt đầu ở những chỗ bề mặt ngoài, n i mà ở đó thể
hiện tính không đồng nhất hoá học. Ngược lại ta lại thấy với hợp kim vô đ nh
hình bền vững với sự ăn m n, bởi vì chúng có thành phần hoá học hoàn toàn
đồng nhất.

 Tính chất điện
Điện trở suất của các hợp kim vô đ nh hình lớn h n so với điện trở suất
của hợp kim đó ở trạng thái tinh thể khoảng 3 – 5 lần. Hệ số nhiệt điện trở của
hợp kim ở trạng thái vô đ nh hình lại nhỏ h n tới 10 lần so với trạng thái tinh
thể và trong một khoảng nhiệt độ nào đó, hệ số nhiệt của trạng thái vô đ nh
hình có thể có giá tr âm. Điện trở suất lớn của hợp kim vô đ nh hình rất có
23


nghĩa khi nghiên cứu vật liệu từ nhiệt, điện trở suất lớn s làm giảm t n hao
d ng Phucô.
 Tính chất từ
- Từ độ bão hoà
Từ độ bão hoà là một đại lượng đặc trưng c bản của tất cả các loại vật
liệu từ. Với các hợp kim vô đ nh hình người ta c n hay d ng đại lượng mô
men từ trung bình trên một nguyên t thay cho từ độ b o hoà, đại lượng này
có đ n v là B.
Từ độ bão hoà của các hợp kim vô đ nh hình thường thấp h n từ độ bão
hoà của hợp kim cùng thành phần ở dạng tinh thể. Sự bất trật tự về liên kết
không ảnh hưởng nhiều đến giá tr của từ độ bão hoà mà chủ yếu là do sự bất
trật tự hoá học gây ra. Sự giảm giá tr từ độ bão hoà do sự bất trật tự hoá học
được giải thích trên c sở của liên kết hoá học cục bộ. Trong nguyên t , các
điện t ở trạng thái spin cao có lực đẩy Coulomb nhỏ và mô men spin của
chúng có thể cùng chiều, tức là mô men từ nguyên t s lớn. Khi các nguyên
t tư ng tác với nhau, các quĩ đạo của các điện t b tách ra thành các quĩ đạo
liên kết có năng lượng thấp và các quĩ đạo phản liên kết có năng lượng cao.
Nếu lực tư ng tác Coulomb là nhỏ so với năng lượng liên kết, các điện t có
xu hướng chuyển xuống các quĩ đạo có năng lượng thấp. Khi các điện t ở
các quĩ đạo có năng lượng thấp, spin của chúng là đối song với nhau. Do vậy,
mô men từ của nguyên t giảm, thậm chí b triệt tiêu nếu năng lượng liên kết

giữa các nguyên t là lớn.
Trong các hợp kim của đất hiếm với các nguyên tố phi từ, các nguyên
t đất hiếm có mô men từ rất lớn và tính chất từ là do các điện t đ nh xứ 4f
và các điện t d n 5d quyết đ nh. Trật tự từ trong các hợp kim của đất hiếm
được xác đ nh bởi tư ng tác trao đ i và d hướng đ n ion mạnh (single-ion

24


anisotropy). D hướng đ n ion là chiếm ưu thế cho hầu hết các nguyên tố đất
hiếm trừ Gd với trạng thái s có d hướng nhỏ.
Với các hợp kim giữa đất hiếm với kim loại chuyển tiếp, cả hai loại
nguyên t đều đóng góp mạnh vào các tính chất từ. Liên kết trao đ i mạnh
giữa các điện t 3d của kim loại chuyển tiếp với các điện t 5d của đất hiếm
d n đến sự đ nh hướng phản song song của các spin. Khi liên kết này b phân
cực bởi các điện t 4f d n đến sự đ nh hướng song song của các spin như
trong các hợp kim của đất hiếm nh .
- T nh từ m m
Hợp kim nguội nhanh có tính từ mềm tốt. Bởi vì, cấu trúc từ của vật
liệu được quy đ nh bởi tư ng tác trường tinh thể (d hướng từ và tư ng tác
trường phân t

tư ng tác trao đ i , do đó ch u ảnh hưởng rất mạnh của trật tự

nguyên t . Trong các vật liệu tinh thể, trật tự xa của các nguyên t làm cho
các tính chất của hợp chất có tính d hướng nhưng đồng nhất): các mômen từ
sắp xếp cộng tuyến (song song hoặc phản song song) dọc theo các phư ng từ
hóa dễ. Các vật liệu từ vô đ nh hình thông thường là các hợp kim có thành
phần kim loại chuyển tiếp Fe, Co, Ni... có từ tính) và có các thành phần pha
tạp á kim P, B, C, Si ... đóng vai tr

n đ nh trạng thái vô đ nh hình và là

thành phần không có từ tính. Hiện nay, các vật liệu vô đ nh hình được đánh
giá là những vật liệu có tính từ mềm rất tốt. Trong các vật liệu vô đ nh hình,
d hướng từ có tính đ a phư ng, tức là mỗi một vùng trật tự gần có một
phư ng dễ từ hóa riêng biệt. Khi đó, nếu năng lượng d hướng từ nhỏ h n
năng lượng tư ng tác trao đ i, sự sắp xếp của các mômen từ s được quyết
đ nh bởi tư ng tác trao đ i, và có cấu trúc cộng tuyến. Trong trường hợp năng
lượng d hướng từ lớn h n năng lượng tư ng tác trao đ i, các mômen từ s
sắp xếp hỗn độn theo sự phân bố của các trục từ hóa dễ đ a phư ng ở trong
vật liệu, điều này đồng nghĩa với việc d hướng từ thấp. C sở tính từ mềm
25