NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT TỪ NHIỆT CỦA HỢP KIM HEUSLER Ni0,5Mn0,5xSbx (x = 0 ÷ 0,4)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 NGUYỄN THỊ THANH HUYỀN LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT Chuyên ngành: Vật lý chất rắn Mã số: 60.44.01.04 Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. NGUYỄN HUY DÂN NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT TỪ NHIỆT CỦA HỢP KIM HEUSLER Ni 0,5 Mn 0,5-x Sb x (x = 0 ÷ 0,4) NỘI DUNG LUẬN VĂN  Mở đầu.  Tổng quan về vật liệu từ nhiệt.  Tổng quan về hợp kim Heusler.  Thực nghiệm.  Kết quả và thảo luận.  Kết luận.  Danh mục các công trình. MỞ ĐẦU  Vật liệu từ nhiệt là một đối tượng đang được quan tâm nghiên cứu bởi ứng dụng trong lĩnh vực làm lạnh bằng từ trường với nhiều ưu điểm như: Không gây ô nhiễm môi trường, tiết kiệm được năng lượng, kích thước nhỏ gọn.  Hợp kim Heusler có khả năng cho hiệu ứng từ nhiệt lớn ở vùng nhiệt độ phòng, có điện trở suất lớn, dễ thay đổi nhiệt độ chuyển pha từ, không chứa đất hiếm  Hợp kim Heusler Ni 2 MnSb cho hiệu ứng từ nhiệt âm. Vì vậy chúng tôi đã chọn đề tài: NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT TỪ NHIỆT CỦA NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT TỪ NHIỆT CỦA HỢP KIM HEUSLER HỢP KIM HEUSLER Ni Ni 0,5 0,5 Mn Mn 0,5 - x 0,5 - x Sb Sb x x (x = 0 (x = 0 ÷ ÷ 0,4). 0,4). Lí do chọn đề tài Tìm ra loại vật liệu từ nhiệt phù hợp để ứng dụng trong thiết bị làm lạnh bằng từ trường ở nhiệt độ phòng. Mục đích của luận văn MỞ ĐẦU Nội dung nghiên cứu  Tìm công nghệ thích hợp, ổn định để chế tạo hợp kim có thành phần và cấu trúc mong muốn.  Khảo sát ảnh hưởng của Sb lên cấu trúc của hệ hợp kim Ni 0,5 Mn 0,5-x Sb x .  Nghiên cứu ảnh hưởng của Sb lên tính chất từ và hiệu ứng từ nhiệt của hệ hợp kim Ni 0,5 Mn 0,5-x Sb x .  Nghiên cứu ảnh hưởng của Sb lên nhiệt độ chuyển pha từ. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU TỪ NHIỆT Hiệu ứng từ nhiệt Giới thiệu về hiệu ứng từ nhiệt Cơ sở nhiệt động học của hiệu ứng từ nhiệt S (T,H) = S m (T,H) + S L (T,H) + S e (T,H) S m là entropy liên quan đến trật tự từ (entropy từ) S L là entropy liên quan đến nhiệt độ của hệ (entropy mạng) S e là entropy liên quan đến trạng thái của điện tử (entropy điện tử) TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU TỪ NHIỆT  Phương pháp đo trực tiếp: + Ưu điểm: đo trực tiếp biến thiên nhiệt độ đoạn nhiệt ∆T ad. + Nhược điểm: khó thực hiện do phải tạo cho vật không có sự trao đổi nhiệt trong quá trình đo.  Phương pháp đo gián tiếp: + Ưu điểm: dễ tiến hành bằng cách đo một loạt các đường từ hóa đẳng nhiệt ở các nhiệt độ khác nhau. + Nhược điểm: độ chính xác không cao 0 4000 8000 12000 0 10 20 30 ∆Τ = 4 Κ 334 K 302 K Mu014 M (emu/g) H (Oe) Phương pháp đánh giá hiệu ứng từ nhiệt của vật liệu [ ] [ ] ( ) [ ] 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 Sự phát triển của vật liệu từ nhiệt  Vật liệu từ nhiệt đã được sử dụng và phát triển bắt đầu từ những năm đầu thé kỷ 20  Năm 1933, vật liệu từ nhiệt được dùng để tạo nhiệt độ rất thấp, sử dụng trong các thiết bị 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 xung quanh nhiệt độ phòng. Sơ đồ nguyên lý máy lạnh dùng khí nén và dùng từ trường TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU TỪ NHIỆT Sự phát triển của vật liệu từ nhiệt Máy làm lạnh bằng từ trường(2001) Máy làm lạnh bằng từ trường của hãng Toshiba(2003) TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU TỪ NHIỆT Sơ đồ nguyên lý máy làm lạnh bằng từ trường(1997) Một số các tiêu chuẩn chính để lựa chọn vật liệu từ nhiệt:  Biến thiên entropy từ ∆Sm đạt giá trị lớn trong biến thiên từ trường nhỏ.  Nhiệt độ chuyển pha từ 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.  Độ từ trễ giảm gần 0  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. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU TỪ NHIỆT Một số kết quả nghiên cứu vật liệu từ nhiệt những năm gần đây  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.  Vật liệu perovskite manganite + Dễ điều khiển nhiệt độ hoạt động, độ bền hóa học cao, công nghệ chế tạo đơn giản. + Độ dẫn nhiệt kém, nhiệt dung lớn.  Hợp kim vô định hình và nano tinh thể + Dễ điều khiển nhiệt độ hoạt động, nhiệt dung thấp và tính trễ nhiệt nhỏ + Chuyển pha từ không sắc nét.  Hợp kim Heusler Kết hợp được hầu hết các ưu điểm của các loại vật liệu trên. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU TỪ NHIỆT [...]... 46 0, 45 0, 69 ± 0, 09 0, 85 ± 0, 10 0,4 435 17 ,0 47 - - - KẾT LUẬN 1 Đã nghiên cứu công nghệ và chế tạo được các mẫu hợp kim Ni0,5Mn0,5Sbx với x = 0; 0, 1; 0, 2; 0, 3 và 0, 4 bằng phương pháp hồ quang và đã ủ nhiệt x các mẫu ở 850oC trong 24 giờ 2 Đã khảo sát cấu trúc của một số mẫu chế tạo được Trong số các hợp kim chế tạo các mẫu x = 0, 2; x = 0, 3 và x = 0, 4 xuất hiện pha hợp kim Heusler đầy đủ 3 Đã khảo sát. .. từ cực đại của mẫu x = 0, 2 là 0, 98 J/(kg.K) cao gấp hai so với mẫu x = 0, 3 là 0, 45 J/(kg.K) trước ủ và sau khi ủ nhiệt  Vùng nhiệt độ làm việc của bán entropy của mẫu có x = 0, 3 rộng hơn của mẫu x = 0, 2 trước ủ và sau ủ KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Cơ chế chuyển pha và các tham số tới hạn Sự phụ thuộc của Ms vào nhiệt độ của mẫu hợp kim x = 0, 2 Đường Arrot, M2 – H/M, của hợp kim Ni0,5Mn0,5 – xSbx với x =. .. hưởng của Sb lên từ độ bão hòa Đường cong từ trễ ở nhiệt độ phòng của hệ mẫu x = 0 ÷ 0, 4 (trước ủ và sau ủ)  Các mẫu đều thể hiện tính từ mềm với Hc nhỏ  MS tăng theo sự tăng của x Tuy nhên, với mẫu x = 0, 4 thì M s lại giảm KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Kết quả khảo sát tính chất từ Ảnh hưởng của Sb lên nhiệt độ chuyển pha từ Đường cong từ nhiệt của hệ mẫu x = 0, 1 ÷ 0, 4 (trước ủ và sau ủ) - TC của các mẫu ủ nhiệt. .. tổng khối lượng hợp kim Ni0,5Mn0,5-xSbx trước và sau khi nấu hồ quang X Ni (g) Mn (g) Sb (g) KL trước Khi nấu (g) KL sau Khi nấu(g) 0 5,1652 5,5 600 0, 000 0 10, 7252 10, 35 70 0,1 4,6217 3,9799 1,9175 10, 5191 10, 2211 0, 2 4,1816 2, 700 7 3,4699 10, 3522 10, 0766 0, 3 3,8181 1,6439 4,7524 10, 2144 9,7258 0, 4 3,5127 0, 7562 5,8297 10, 0986 9,3424  Hầu hết các mẫu sau khi nấu có khối lượng xấp xỉ 10 g  Khối lượng... với x = 0, 2 và x = 0, 3  Từ các kết quả thu được hệ hợp kim này tồn tại cơ chế chuyển pha từ loại 2  Tồn tại trật tự ferit từ trong hệ vật liệu này KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Bảng tổng hợp các giá trị TC ,HC ,MS và giá trị (-∆Smax), điểm tới hạn β ,γ của hợp kim Ni 0, 5Mn0,5 – xSbx ở 300 K X Tc(K) Ms(emu/g) Hc(Oe) -∆Smax(Jkg-1K-1) β γ 0, 1 2 10 - - - - - 0, 2 342 34,8 94 0, 98 0, 40 ± 0, 01 1,27± 0, 08 0, 3 419...TỔNG QUAN VỀ HỢP KIM HEUSLER Cấu trúc của hợp kim Heusler Ni Mn Sb a) b) Cấu trúc mạng tinh thể của hợp kim Heusler đầy đủ Ni2MnSb(a) và bán hợp kim Heusler NiMnSb (b)  Hợp kim Heusler đầy đủ (X2 YZ) có cấu trúc kiểu L21; X có tọa độ tại (0, 0, 0) và (1/2, 1/2, 1/2), Y (1/4, 1/4, 1/4), Z (3/4, 3/4, 3/4)  Bán hợp kim Heusler (XYZ) có cấu trúc C1b, một vị trí của X bị khuyết so với hợp kim Heusler đầy... sát tính chất từ đối với tất cả các mẫu chế tạo được Các mẫu thể hiện tính từ mềm với lực kháng từ Hc nhỏ Tại 300 K các mẫu với x = 0, 2 và 0, 3 có giá trị từ độ bão hòa ∼ 35emu/g 4 Đã khảo sát tính từ nhiệt của một số mẫu Biến thiên entropy từ cực đại trong từ trường biến thiên 12 kOe đạt được với mẫu có x = 0, 2 là 0, 98 J/ (kg.K) cao gấp hai so với mẫu x = 0, 3 là 0, 45 J/(kg.K) 5 Đã xác định cơ chế chuyển... chất từ của hợp kim Heusler  Các loại tương tác trao đổi + Tương tác trao đổi trực tiếp + Tương tác trao đổi gián tiếp + Tương tác trao đổi RKKY  Tương tác trao đổi trong hợp kim Heusler Các tương tác từ trong hợp kim Heusler là rất phức tạp và cho tới nay các nhà khoa học vẫn chưa thể lý giải được tường minh về tính chất từ của hợp kim này TỔNG QUAN VỀ HỢP KIM HEUSLER Tính chất từ của hợp kim Heusler. .. VỀ HỢP KIM HEUSLER Tính chất từ của hợp kim Heusler Với hợp kim Heusler, cấu trúc kiểu B2 có thể được hình thành theo cách một nửa của các nguyên tử Y và Z trao đổi vị trí của chúng cho nhau Tỉ phần của pha L21/B2 phụ thuộc vào chế độ xử lý nhiệt a) b) c) Cấu trúc mạng tinh thể kiểu: (a) L21, (b) C1b (c) Ba kiểu có thể của cấu trúc bất trật tự B2 (I, II và III) TỔNG QUAN VỀ HỢP KIM HEUSLER Tính chất. .. HEUSLER Hợp kim Ni – Mn – Z (Z = In, Ga, Sn) Hiệu ứng từ nhiệt trên hợp kim Heusler nói chung Các chuyển pha từ trong một số hợp kim Heusler Ni-Mn-Z (Z = In, Ga, Sn) TỔNG QUAN VỀ HỢP KIM HEUSLER Hợp kim Ni – Mn – Z (z = In, Ga, Sn) Một số trong các hợp kim này cho cả hai chuyển pha AFM/FM và FM/PM ở gần nhiệt độ phòng và ở cả hai nhiệt độ chuyển pha này đều cho MCE với độ biến thiên entropy từ là khá . nhiệt.  Tổng quan về hợp kim Heusler.  Thực nghiệm.  Kết quả và thảo luận.  Kết luận.  Danh mục các công trình. MỞ ĐẦU  Vật liệu từ nhiệt là một đối tượng đang được quan tâm nghiên cứu