(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu cấu trúc và tính chất từ của hợp kim heusler ni mn (ga,al…)

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn khơng trùng lặp với khóa luận, luận văn, luận án cơng trình nghiên cứu cơng bố Hà Nội, ngày 25 tháng 10 năm 2022 Người cam đoan Bùi Thị Ngọc Lan LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, tơi xin bày tỏ lịng kính trọng biết ơn sâu sắc đến TS Nguyễn Hải Yến GS.TS Nguyễn Huy Dân, Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam tận tình hướng dẫn giúp đỡ tạo điều kiện tốt để tơi hồn thành luận văn Tôi xin trân trọng cảm ơn giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi sở đào tạo Học viện Khoa học Công nghệ, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Luận văn thực với h trợ kinh ph Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam với đề tài mã số ĐLTE00.03/20-21 Quỹ Phát triển khoa học công nghệ Quốc gia (NAFOSTED) đề tài mã số 103.022019.344 Công việc thực nghiệm thực Phịng thí nghiệm trọng điểm Vật liệu linh kiện điện tử, Viện Khoa học vật liệu Sau cùng, xin cảm ơn Ban giám hiệu trường THPT Tân Lập, người thân, đồng nghiệp bạn bè lời cảm ơn chân thành Chính tin yêu mong đợi gia đình, đồng nghiệp bạn bè tạo động lực cho thực thành công luận văn Hà Nội, ngày 25 tháng 10 năm 2022 Học viên Bùi Thị Ngọc Lan MỤC LỤC MỞ ĐẦU Chương 1: TỔNG QUAN VỀ HỢP KIM NHỚ HÌNH HEUSLER NỀN Ni-Mn 1.1 Tổng quan hợp kim nhớ hình 1.1.1 Hiệu ứng nhớ hình hợp kim 1.1.2 Cơ chế biến đổi pha hợp kim nhớ hình 1.1.3 Lịch sử phát triển nghiên cứu hợp kim nhớ hình 1.1.4 Ứng dụng hợp kim nhớ hình 10 1.2 Tổng quan hợp kim nhớ hình Heusler Ni-Mn 15 1.2.1 Cấu trúc hợp kim Heusler Ni-Mn 15 1.2.2 Tính chất từ hợp kim Heusler Ni-Mn 18 1.2.3 Một số kết nghiên cứu cấu trúc, tính chất từ hiệu ứng nhớ hình hợp kim Heusler Ni-Mn 21 Chương 2: KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM .28 2.1 Chế tạo mẫu 28 2.1.1 Tạo hợp kim ban đầu 28 2.1.2 Phun băng nguội nhanh 29 2.2 Các phép đo khảo sát mẫu .32 2.2.1 Phép đo khảo sát cấu trúc nhiễu xạ tia X .32 2.2.2 Phép đo khảo sát cấu trúc kính hiển vi điện tử quét .34 2.2.3 Phép đo khảo sát tính chất từ 35 Chương KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 37 3.1 Cấu trúc tính chất từ hợp kim nhớ hình Heusler Ni 50Mn50-xGax 37 37 3.1.1 Cấu trúc hợp kim nhớ hình Heusler Ni 50Mn50-xGax 39 3.1.2 Tính chất từ hợp kim nhớ hình Heusler Ni 50Mn50-xGax 3.2 Ảnh hưởng Co lên cấu trúc tính chất từ hợp kim nhớ hình Heusler Ni50-xCoxMn29Ga21……………………………………………………………………………………41 3.2.1 Ảnh hưởng Co lên cấu trúc hợp kim nhớ hình Heusler Ni50xCoxMn29Ga21 41 3.2.2 Ảnh hưởng Co lên tính chất từ hợp kim nhớ hình Heusler Ni 50- 45 xCoxMn29Ga21 KẾT LUẬN ………………………………………………………………………51 TÀI LIỆU THAM KHẢO 52 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Danh mục ký hiệu A: Autenit Β: Độ bán rộng đỉnh nhiễu xạ AS : Nhiệt độ bắt đầu pha autenit Af : Nhiệt độ kết thúc pha autenit M: Mactenxit MS: Nhiệt độ bắt đầu pha mactenxit Mf: Nhiệt độ kết thúc pha mactenxit TCA: Nhiệt độ Curie pha autenit TCM: Nhiệt độ Curie pha mactenxit : Góc nhiễu xạ Bragg Danh mục chữ viết tắt EDX: FM: MSMA: PM: Phổ tán xạ lượng tia X Sắt từ Hợp kim nhớ hình từ t nh Thuận từ SEM: Hiển vi điện tử quét SMA: Hợp kim nhớ hình SME: Hiệu ứng nhớ hình XRD: Nhiễu xạ tia X VSM: Hệ từ kế mẫu rung DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Bảng 2.1 Bảng 3.1 Sự phân loại số hợp kim Heusler dựa trật tự từ cấu trúc tinh thể………………………………………………… 20 Các mẫu chế tạo phương pháp phun băng nguội nhanh…………………………………………………………… 32 Thành phần hóa học xác định qua phép phân tích EDX hợp kim Ni50-xCoxMn29Ga21 tỷ lệ số electron hóa trị m i nguyên tử (e/a)……………………………………… 45 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Hiệu ứng nhớ hình hợp kim [19].……… …… … Hình 1.2 Sự biến đổi pha hợp kim nhớ hình dạng NiTi [20]……… Hình 1.3 Giản đồ chiều dịch chuyển theo sức căng…………… Hình 1.4 Hai chế trượt (a) kết cặp (b)…………………………… Hình 1.5 Quá trình biến dạng song tinh mactenxit …………………… Hình 1.6 Lịch sử trình phát hợp kim nhớ hình……… Hình 1.7 Một số ứng dụng hợp kim nhớ hình y-sinh: Ống nong động mạch, neo xương, niềng [23]………………… Hình 1.8 a, b) Nitinol stent, c) stent Nitinol gấp khúc………………… Hình 1.9 Các dụng cụ thay đổi độ cong phẫu thuật nội soi 10 11 a) Dao mổ, b) Bộ chuyền khâu, c) Bộ truyền động linh hoạt cho giá đỡ khớp nối [33]……………………………………… Hình 1.10 Hình 1.11 11 Nguyên mẫu nguyên lý hoạt động clip tự đóng cho MIS [36]……………………………………………………………… 12 Kẹp nối thơng ruột kết hình dạng mở (a) đóng (b) 13 [37]…………………………………………………………… Hình 1.12 Hệ thống kẹp kiểm sốt xuất huyết tiêu hóa [38]…………… Hình 1.13 Bộ điều khiển vi mơ với bậc tự do: A Ngón tay; B Khuỷu 13 tay; C Vai; a Lò xo xoắn hợp kim Ti-Ni; b lò xo nghiêng; c Bánh xe siết van; d Dây hợp kim Ti-Ni [39]……………… Hình 1.14 14 Bộ điều nhiệt hợp kim nhớ hình: a Van ch nh; b Lị xo quay lại; c Van phụ; d Thùng chứa; e Thanh đẩy; f vị tr lò xo; g Nguyên tố hợp kim nhớ hình [39]……………………………………… Hình 1.15 Cấu trúc tinh thể hợp kim Heusler dạng X2YZ (a) XYZ (b) [40]………………………………………………………… Hình 1.16 15 16 Cấu trúc mạng tinh thể kiểu L21 hợp kim Heusler đầy đủ Khi nguyên tử X khuyết ta cấu trúc mạng tinh thể kiểu C1b hợp kim bán Heusler (X , X k hiệu nguyên tử nguyên tố X) [40]……………………………… 17 Hình 1.17 Cấu trúc mạng tinh thể kiểu: (a) L21, (b) C1b (c) Ba kiểu cấu trúc bất trật tự B2 (I, II III) [8]………………… Hình 1.18 Giản đồ XRD nhiệt độ phòng hợp kim Ni50+xMn27-xGa23 với x = -2 (a), x = (b), x = 2.7 (c) x = (d) [13]………… Hình 1.19 22 Sơ đồ mối quan hệ cấu trúc L21 D022, cấu trúc L21 4O 6M [13]……………………………………… Hình 1.20 18 23 Các đường cong M(H) hợp kim Ni50+xMn27-xGa23 với x ≤ x ≥ (b) đo K trường lên đến 50 kOe, phụ thuộc nồng độ mô men từ tự phát m i đơn vị K (c) [13]…………………………………………………… Hình 1.21 24 Sự phụ thuộc vào nhiệt độ độ từ thẩm μ (a) từ độ M (b) đo từ trường kOe với x = (Ni51Mn26Ga23) [13]…………………………………………………………… 26 Hình 1.22 Sự phụ thuộc vào nhiệt độ độ cảm từ với hợp kim Ni50Mn30Ga20, hợp kim Ni45Co5Mn30Ga20 Ni43Co7Mn30Ga20 () [56]………………………………………………………… Hình 1.23 26 Ảnh hưởng nồng độ Co tỷ lệ e/a lên (a) Từ hóa bão hịa (b) Nhiệt độ chuyển pha M-A (c) Nhiệt độ Curie mẫu Ni2(Mn,Co)Ga xử lý điều kiện khác Các giá trị e/a cho thành phần trung bình tương ứng đưa trục x [58]…………………………… 27 Hình 2.1 Sơ đồ khối hệ nấu hồ quang.……………………………… 29 Hình 2.2 Sơ đồ mơ tả hệ phun băng nguội nhanh……………………… 30 Hình 2.3 (a) Thiết bị phun băng nguội nhanh: (1) hệ hút chân không, (2) buồng tạo băng, (3) hộp điều khiển, (b) ảnh bên buồng phun băng: (4) lăn, (5) cuộn cao tần, (6) ống thạch anh 31 Hình 2.4 Mơ hình hình học tượng nhiễu xạ tia X……………… 33 Hình 2.5 Thiết bị nhiễu xạ tia X Equinox 5000………………………… 34 Hình 2.6 Các t n hiệu thứ cấp nhận từ mẫu tác dụng chùm điện tử sơ cấp lượng cao (chùm điện tử tới)……… 34 Hình 2.7 K nh hiển vi điện tử quét HITACHI S-4800………………… 35 Hình 2.8 Sơ đồ nguyên lý hệ từ kế mẫu rung (VSM) 35 Hình 3.1 Giản đồ XRD băng hợp kim Ni50 Mn50-xGax (x = 17, 18, 19, 20 21)……………………………………………… Hình 3.2 Các cong từ trễ nhiệt độ phòng hợp kim Ni50Mn50xGax Hình 3.3 37 (x = 17, 18, 19, 20 21)…………………………… 38 Đường cong từ nhiệt Ni50Mn50- xGax (x = 17, 18, 19, 20 21) dải băng hợp kim từ trường tác dụng 80 Oe (a), 1Oe (b) 10 Oe (c)……………………………………… Hình 3.4 Đường cong từ nhiệt dải hợp kim Ni50Mn30Ga20 trường từ khác khoảng 0,1-10 kOe…………… Hình 3.5 với x = (một), x = (b), x = (c), x = (d) x = (e)……………………………………………………… 44 Đường cong từ nhiệt hợp kim Ni50-xCoxMn29Ga21 với x = 0, 2, (a) x = 6, (b) từ trường kOe…………… Hình 3.9 43 Quang phổ EDX Ni50-xCoxMn29Ga21 ruy băng với x = (một), x = (b), x = (c)………………………………… Hình 3.8 42 Ảnh SEM mặt cắt ngang băng hợp kim Ni50xCoxMn29Ga21 Hình 3.7 41 Giản đồ XRD hợp kim Ni50-xCoxMn29Ga21 (x = 0, 2, 4, 8)……… .……………………………………………… Hình 3.6 39 46 Đường cong từ nhiệt băng hợp kim Ni 50-xCoxMn29Ga21 (x = 0, 2, 4, số 8) từ trường kOe (a, b) 10 kOe (c, d)…………………………………………………………… Hình 3.10 47 Đường cong từ nhiệt băng hợp kim Ni50-xCoxMn29Ga21 với x = từ trường khác khoảng 0,1-4 kOe (a) 6-10 kOe (b)…………………………………………… Hình 3.11 48 Đường cong từ trễ (a) phụ thuộc từ độ vào từ trường dải từ trường từ đến kOe (b) nhiệt độ phòng hợp kim băng Ni50-xCoxMn29Ga21 ( x = 0, 2, 4, 6, 8)………………………… 49 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Vật liệu cơng nghệ nói chung vật liệu nhớ hình nói riêng có ý nghĩa vơ quan trọng sống loài người Chúng đa dạng, phong phú khơng ngừng nghiên cứu để hồn thiện Trong xu phát triển chung đó, vật liệu nhớ hình có hợp kim Heusler Ni-Mn-(Ga, Al…) tạo nhằm đáp ứng yêu cầu ngày cao người sống “xanh” đại Hợp kim nhớ hình (SMA) hợp kim mà sau bị biến dạng có khả khơi phục lại hình dạng ban đầu tác động nhiệt độ từ trường Nguồn gốc hiệu ứng nhớ hình (SME) biến đổi cấu trúc tinh thể vật liệu nhiệt độ từ trường tác dụng lên [1-10] Các hợp kim nhớ hình tồn hai pha tinh thể khác bao gồm pha mactenxit (ổn định nhiệt độ thấp) pha autenit (ổn định nhiệt độ cao hơn) [1-10] Các SMA có khả ứng dụng nhiều lĩnh vực y sinh, hàng khơng vũ trụ, vi điện tử, tự động hóa: chỉnh nha, neo xương, van tự động, cảm biến nhiệt, ống nano, rô bốt… Các hợp kim Heusler Ni-Mn-(Ga, Al…) quan tâm nghiên cứu chúng có nhiều hiệu ứng vật lí lý thú cho nghiên cứu ứng dụng: hiệu ứng nhớ hình (Shape Memory Effect - SME), hiệu ứng từ nhiệt (Magnetocaloric Effect MCE), hiệu ứng áp-nhiệt (Barocaloric Effect), hiệu ứng siêu đàn hồi từ (Magnetic Superelastic Effect)… Gần đây, hiệu ứng nhớ hình từ tính (MSME) hợp kim Heusler tập trung nghiên cứu [3-5] Ưu điểm hợp kim SME chúng kích thích khơng nhiệt độ mà cịn từ trường Với kích thích từ trường, thời gian đáp ứng SME nhanh xác so với trường hợp kích thích nhiệt độ Bên cạnh đó, thời gian sử dụng lâu hơn, khả tạo biến dạng ứng suất lớn nhiều so với vật liệu từ giảo hay áp điện Do đó, chúng có lợi ứng dụng lĩnh vực cảm biến, điều khiển, truyền dẫn chuyển đổi lượng Thơng thường, MSME xảy vật liệu có chuyển pha từ pha thuận từ sắt từ yếu sang pha sắt từ Các trình chuyển pha từ trải qua thay đổi cấu trúc chuyển pha bậc Trong hợp kim Heusler, MSME xảy thông qua biến đổi cấu trúc mactenxit-autenit (M-A) tương tác từ vật liệu [6, 7] Để đưa loại vật liệu vào ứng dụng, người ta phải kiểm soát biến đổi pha cấu trúc chuyển pha từ tính chúng, có nghĩa người ta phải tạo vật liệu có nhiệt độ biên độ chuyển pha mong muốn [8–9] MSME