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 Tên đề tài: Nghiên cứu hiệu ứng từ nhiệt lớn số hợp kim Heusler nguội nhanh Thời gian thực hiện: 12 tháng Kinh phí: - Tổng số: 50 triệu đồng - Trong từ nguồn ngân sách SNKH: 50 triệu đồng Chủ nhiệm đề tài: - Họ tên, Học hàm, học vị: Nguyễn Huy Dân, PGS.TS - Chức vụ: Phó giám đốc PTNTĐ - Điện thoại: 04.37567155; Email: dannh@ims.vast.ac.vn - Địa quan: 18 Hoàng Quốc Việt, Cầu Giấy, Hà Nội - Các đề tài/dự án chủ trì/tham gia năm gần (từ 2006) Trách nhiệm Thời gian đề tài/ nghiệm dự án thu kết số tháng đánh làm việc giá Tên đề tài/dự án Cấp quản lý/ Cơ quan chủ trì Thời gian/ Kinh phí (tháng/triệu đồng) Thử nghiệm chế tạo nam châm kết dính Nd-FeB dùng trong thiết bị nhỏ Cấp sở/Viện KHVL 12/40 Chủ nhiệm/6 2007/Đạt Nghiên cứu chế tạo vật liệu từ cứng có cấu trúc nanomet phương pháp nguội nhanh nghiền lượng cao Cấp sở/Viện KHVL 12/40 Chủ nhiệm/6 2008/Đạt Nghiên cứu qui trình cơng nghệ pha tạp ảnh hưởng tạp chất lên tính chất từ nam châm Nd-Fe-B Cấp sở/Viện KHVL 12/50 Chủ nhiệm/6 2009/Đạt STT 1 Xây dựng hệ thiết bị dùng để xác định nồng độ hiệu suất xử lý số loại khí độc Cấp Viện KHCNVN/Viện KHVL 24/500 Chủ nhiệm/12 2010/Đạt 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 Chế tạo nam châm vĩnh cửu NdFeB quy mơ bán cơng nghiệp, tích lượng từ 35 MGOe Cấp sở/Viện KHVL 12/90 Chủ nhiệm/6 2010/Đạt PHẦN II NỘI DUNG KHCN CỦA ĐỀ TÀI Mục tiêu đề tài: Nghiên cứu công nghệ chế hiệu ứng từ nhiệt lớn hợp kim Heusler nguội nhanh nhằm chế tạo hợp kim từ nhiệt có khả ứng dụng lĩnh vực làm lạnh từ trường Tình hình nghiên cứu nước nước: Hiệu ứng từ nhiệt (MagnetoCaloric Effect-MCE) quan tâm nghiên cứu chúng ứng dụng lĩnh vực làm lạnh từ trường Việc làm lạnh từ trường dựa nguyên lý từ trường làm thay đổi entropy vật liệu (hình 1) Để hiệu suất làm lạnh phương pháp lớn hiệu ứng từ nhiệt vật liệu phải lớn (có biến thiên entropy từ ∆SM thay đổi nhiệt độ đoạn nhiệt ∆Tad lớn) Hình Giản đồ mơ tả chu trình làm lạnh từ trường khí [1] Việc ứng dụng vật liệu từ nhiệt máy làm lạnh có ưu điểm không gây ô nhiễm môi trường máy lạnh dùng khí, có khả nâng cao hiệu suất làm lạnh (tiết kiệm lượng), thiết kế nhỏ gọn, khơng gây tiếng ồn dùng số ứng dụng đặc biệt Hiệu ứng từ nhiệt phát từ lâu (1881) ứng dụng kỹ thuật làm lạnh nhiệt độ thấp (đến cỡ micro Kelvin) Tuy vậy, vật liệu từ nhiệt thực quan tâm tập trung nghiên cứu gần phát chế độ lớn hiệu ứng từ nhiệt Hiệu ứng từ nhiệt trước coi gắn liền với chuyển pha bậc hai Về sau, hiệu ứng từ nhiệt lớn (Giant MagnetoCaloric Effect-GMCE) lại quan sát thấy xảy với chuyển pha bậc Các vật liệu chế tạo với ∆SM ngày nâng cao Cùng với mục tiêu tiết kiệm lượng bảo vệ mơi trường, việc tìm kiếm vật vật liệu từ nhiệt có khả ứng dụng máy làm lạnh từ trường vùng nhiệt độ phòng ngày quan tâm nghiên cứu Rất nhiều kết nghiên cứu vật liệu từ nhiệt cơng bố tạp chí khoa học hàng đầu thể giới thời gian gần [2-9] Hình Thiết bị làm lạnh từ truờng vùng nhiệt độ phòng chế tạo hãng Astronautic Corporation (a) Chubu-Toshiba (b) [1] Đáng ý kết nghiên hợp kim từ nhiệt chứa Gd (ví dụ Gd5(SixGe1 − x), hay Gd1 − xCox), kể từ năm 1997, cho thấy khả ứng dụng rộng rãi công nghệ làm lạnh từ trường [10-11] Một số thiết bị làm lạnh từ trường thử nghiệm chế tạo với hợp kim từ nhiệt chứa Gd (xem hình bảng 1) Tuy nhiên, hợp kim chứa Gd có giá thành đắt khan nguyên liệu với công nghệ chế tạo khắt khe Mặt khác, hợp kim chưa thỏa đáng cho số yêu cầu khác độ bền, độ dẫn nhiệt Bảng Các thông số số máy làm lạnh vùng nhiệt độ phòng sử dụng vật liệu từ nhiệt chứa Gd [1] Viện nghiên cứu/Công ty Địa điểm Thời gian Ames Iowa/Madison, Laboratory/Astr 1997 Wisconsin, USA onautics Mater Science Institute Barcelona, Spain 2000 Barcelona Chubu Yokohama, Electric/Toshiba Japan Kiểu máy Công suất (W) ΔT (K) Từ Dạng vật liệu từ trường nhiệt (T) Đẩy kéo 600 10 (S) Quay 0.95 (P) Gd - Gd khối 2000 Đẩy kéo 100 21 (S) Gd khối 2001 Đẩy kéo 14 (S) Gd & Gd1−xTbx Quay 25 1.5 (P) Gd khối University of Victoria Columbia Canada Astronautics Wisconsin, USA 2001 Sichuan Inst Tech./Nanjing Nanjing, China 2002 University 95 Đẩy kéo - 23 1.4 (P) Gd khối, Gd5Si1.985Ge1.985Ga 0.03 bột Gd1−xDyx Chubu Yokohama, Electric/Toshiba Japan 2002 Đẩy kéo 40 27 0.6 (P) Chubu Yokohama, Electric/Toshiba Japan 2003 Quay 10 0.76 (P) Gd 1−xDyx Lab Grenoble, d’Electrotechniq France ue Grenoble 2003 Đẩy kéo 8.8 0.8 (P) Gd 2004 Đẩy kéo - - - (P) Gd 60 George Washington University USA Astronautics Wisconsin, USA 2004 Quay 95 25 1.5 (P) Gd GdEr khối University of Victoria Columbia Canada Đẩy kéo 15 50 (S) Gd, Gd0.74Tb0.26 Gd0.85Er0.15 khối 2006 Ngoài hợp kim chứa Gd, số loại vật liệu từ nhiệt khác quan tâm nghiên cứu chế khả ứng dụng Chẳng hạn họ vật liệu từ nhiệt RM2 (trong đó: R = Lantanite M = Al, Co Ni), hợp kim chứa As [Mn(As1-xSbx), MnFe(P1-xAsx)], hợp kim chứa La [La(Fe13-xSix), La(Fe,Si)13], hợp kim Heusler (Co2TiSi, Co2TiGe, NiMnGa ), hợp kim nguội nhanh Fe Mn, maganite perovskite sắt từ (R1-xMxMnO3, đó: R = La, Nd, Pr M = Ca, Sr, Ba) [12-23] Các bảng 2- cho thấy hợp phần thơng số cấu trúc tính chất số số loại vật liệu từ nhiệt quan tâm nghiên cứu gần Bảng Hợp phần thông số từ nhiệt số hợp kim chứa Gd, As Mn Hợp kim Thành phần ∆H (T) Tc (K) ∆SM (J.kg-1.K-1) z = 0,010 5,0 297 6,40 z = 0,025 5,0 297 6,36 z = 0,040 5,0 297 6,30 R = Mn z = 0,050 5,0 297 6,10 z = 0,100 5,0 297 5,30 z = 0,070 5,0 297 5,00 z = 0,015 5,0 297 6,30 R = Co z = 0,025 5,0 297 6,10 Gd5Si2-zGe2-zR2z z = 0,065 5,0 297 7,10 z = 0,010 5,0 297 6,50 R = Ga z = 0,020 5,0 297 6,00 z = 0,050 5,0 297 5,60 z = 0,015 5,0 297 7,00 z = 0,025 5,0 297 6,25 R=B z = 0,040 5,0 297 6,60 z = 0,050 5,0 297 6,90 x = 0,050 1,8 308 6,50 x = 0,100 1,8 294 12,8 x = 0,150 1,8 288 11,4 Gd5Si2-xGe2-xSn2x x = 0,200 1,8 283 12,2 x = 0,250 1,8 269 16,7 x = 0,500 1,8 251 15,9 Gd5Ge1,9Si2Fe0,1 5,00 305 7,00 2,00 68,0 313,7 t=0 5,00 78,0 2,00 15,0 301,6 t = 0,025 5,00 36,0 2,00 9,0 291,0 t = 0,050 5,00 22,0 Mn1-t(Ti0,5V0,5)tAs 2,00 30,0 266,8 t = 0,100 5,00 44,0 2,00 23,0 t = 0,150 260,0 5,00 27,0 2,00 3,0 t = 0,200 272,6 5,00 7,0 1,00 313,5 17,0 2,00 313,5 40,1 Ni55,4Mn20,0Ga24,6 3,00 313,5 60,1 4,00 5,00 313,5 313,5 77,0 85,8 ∆H: khoảng từ trường biến đổi (đơn vị: Tesla) TC: Nhiệt độ Curie (đơn vị: Kelvin) ∆SM: Biến thiên entropy từ (đơn vị: J.kg-1.K-1) Bảng Các thông số từ cấu trúc số hợp phần liên kim loại Mn loại cấu trúc tinh thể khác Hợp phần Loại cấu Nhóm khơng Tc (K) Ms(µB/3d ∆S (J/kg.K) trúc gian at.) at K MnFe1-xCoxGe x=0 Ni2In P63/mmc 153 0,97 1,6 x = 0,1 Ni2In P63/mmc 173 0,97 1,8 x = 0,2 Ni2In P63/mmc 209 1,13 2,5 x = 0,3 Ni2In P63/mmc 220 1,13 2,9 x = 0,4 Ni2In P63/mmc 223 1,20 3,2 x = 0,5 Ni2In P63/mmc 228 1,30 3,5 x = 0,6 Ni2In P63/mmc 242 1,51 2,9 x = 0,7 Ni2In P63/mmc 249 1,55 4,0 x = 0,8 Ni2In P63/mmc 289 2,34 9,0 x = 0,85 Ni2In 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 Mn5Ge3-xSix x = 0,5 Mn5Si3 P63/mmc 298 2,56 7,8 x = 1,0 Mn5Si3 P63/mmc 283 2,52 7,6 x = 1,5 Mn5Si3 P63/mmc 258 2,46 6,9 x = 2,0 Mn5Si3 P63/mmc 198 2,36 6,8 Mn5Ge3-xSbx x=0 Mn5Si3 P63/mmc 298 2,64 9,3 x = 0,1 Mn5Si3 P63/mmc 304 2,63 6,6 x = 0,2 Mn5Si3 P63/mmc 307 2,60 6,2 x = 0,3 Mn5Si3 P63/mmc 312 2,40 5,6 LaMn2-xFexGe2 I / mmm x = 0,10 ThCr2Si2 310 1,2 1,02b I / mmm x = 0,15 ThCr2Si2 295 1,2 0,93b I / mmm x = 0,20 ThCr2Si2 275 1,2 0,88b (Fe1-xMnx)C x = 0,1 Fe3C Pnma 305 1,39 3,4 x = 0,2 Fe3C Pnma 109 0,62 1,8 x = 0,3 Fe3C Pnma 31 0,22 1,3 Mn3-xCoxGaC Pm3m x = 0,0 CaTiO3 15 Pm3m x = 0,03 CaTiO3 14 Pm3m x = 0,05 CaTiO3 13 a MnAs NiAs P63/mmc 318 3,4 30 Mn1- δAs0,75Sb0,25 δ = 0,0 δ = 0,03 δ = 0,05 NiAs NiAs NiAs P63/mmc P63/mmc P63/mmc 232 227 204 3,7 3,3 3,2 14c 17c 14c Các giá trị |∆S| với thay đổi từ trường ∆B = 5T a loại cấu trúc MnP 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 cấu trúc hợp kim Heusler Mn hợp phần liên kim loại với cấu trúc Fe2P Hợp phần Loại cấu Nhóm Tc Ms (µB/3d at.) ∆S (J/kg.K) trúc khơng (K) at K gian Fe2MnSi0,5Ge0,5 BiF3 Fm3m 260 0,93 1,7 Ni52,9Mn22,4Ga24,7 BiF3a Fm3m 305 8,6 ∼ 1,3 a Ni50,9Mn24,7Ga24,4 BiF3 Fm3m 272 3,5 ∼ 1,3 a Ni55,2Mn18,6Ga26,2 BiF3 Fm3m 315 20,4 ∼ 1,3 a Ni51,6Mn24,7Ga23,8 BiF3 Fm3m 296 7,0 ∼ 1,3 a Ni52,7Mn23,9Ga23,4 BiF3 Fm3m 338 15,6 ∼ 1,3 CoNbxMn1-xSb x = 0,0 x = 0,2 x = 0,4 x = 0,6 MgAgAs MgAgAs MgAgAs MgAgAs F43m F43m F43m F43m 472 470 465 463 2,00 3,22 2,29 1,85 2,1b 1,4b 1,2b 0,6b MnFeP0,45As0,55 MnFeP0,47As0,53 Mn1,1Fe0,9P0,47As0,53 Fe2P Fe2P Fe2P P 62m 306 293 298 - 13c 15c 21c MnFeP0,89-xSixGe0,11 x = 0,22 x = 0,26 x = 0,30 x = 0,33 Fe2P Fe2P Fe2P Fe2P P 62m 270 292 288 260 4,22 4,21 4,29 4,21 27 27 27 45 P 62m P 62m P 62m P 62m P 62m Các giá trị |∆S| thay đổi từ trường ∆B = 5T a Dưới nhiệt độ chuyển pha martensitic, cấu trúc tứ giác b ∆B = 0,9 T c ∆B = 2,0 T Để chế tạo vật liệu có hiệu ứng từ nhiệt lớn (GMCE), số nhà khoa học tập trung nghiên cứu chế hiệu ứng Do hiệu ứng từ nhiệt lớn tìm thấy vật liệu có biến đổi cấu trúc xảy đồng thời với xếp trật tự từ nên nhiều nghiên cứu tập trung vào chế mối quan hệ biến đổi cấu trúc xếp trật tự từ [5,8,11] Ở nước có số nhóm nghiên cứu quan tâm đến vật liệu từ nhiệt 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… có số cơng bố khoa học nước quôc tế [25-29] Trong nghiên cứu này, nghiên cứu hiệu ứng từ nhiệt hợp kim hợp kim Heusler (CoMnSi, NiMnSn, NiMnSb ) hợp kim nguội nhanh (Fe-CuNb-Si-B, La-Fe-Si ) Ưu điểm hợp kim có khả cho hiệu ứng từ nhiệt lớn đồng thời với điện trở suất lớn, có chuyển pha từ gắn với chuyển pha cấu trúc, có nhiệt độ Curie dễ thay đổi có giá thành rẻ Đó yêu cầu cần thiết cho khả ứng dụng thực tế Mặt khác, hợp kim phù hợp với thiết bị công nghệ chế tạo nghiên cứu cấu trúc, tính chất sẵn có Phịng thí nghiệm Trọng điểm Vật liệu Linh kiện Điện tử, Viện Khoa học Vật liệu Tài liệu tham khảo: http://en.wikipedia.org/wiki/Magnetic_refrigeration 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) Provenzano V., Shapiro A J & Shull R D., Reduction of hysteresis losses in the magnetic refrigerant Gd5Si2Ge2 by addition of iron, Nature 429, 853–857 (2004) Krenke, T et al Inverse magnetocaloric effect in ferromagnetic Ni-Mn-Sn alloys Nature 4, 450-454 (2005) Lluís Mosa, David González-Alonso, Antoni Planes, Erell Bonnot, Maria Barrio, Josep-Lls 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) Mischenko A S., Zhang Q., Scott J F., Whatmore R W & Mathur, Giant electrocaloric effect in thin-film PbZr0.95Ti0.05O3, Science 311, 1270-1271 (2006) Neese B et al., Large electrocaloric effect in ferroelectric polymers near room temperature, Science 321, 821-823 (2008) 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) 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 Mn1−xCrxCoGe compounds, Appl Phys Lett 96, 162507 (2010) 10 V K Pecharsky and K A Gschneidner, Jr., Giant Magnetocaloric Effect in Gd5Si2Ge2, Physical Review Letters, Vol 78, No 23, 4494 (1997) 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 Gd1−x(Si0.5Ge0.5)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 Co2TiSi, Co2TiGe, and Co2TiSn, arXiv:0907.3562v1 [condmat.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, (2009) 17 V K Sharma , M K Chattopadhyay and S B Roy, Large magnetocaloric effect in Ni50Mn33.66Cr0.34In16 alloy, J Phys D: Appl Phys 43, 225001 (2010) 18 E Yüzüak , B Emre , Y Elerman and A Yüce, Giant magnetocaloric effect in Tb5Ge2– Si2–xMn2x compounds, Chinese Phys B, 19, 057501 (2010) x 19 I Tereshina , G Politova , E Tereshina , S Nikitin , G Burkhanov , O Chistyakov and A Karpenkov, Magnetocaloric and magnetoelastic effects in (Tb0.45Dy0.55)1-xErxCo2 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 GdFe6Al6 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 LaFe11.5Si1.5Bx (x=0.5, 1.0), Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 322, 1710-1714 (2010) 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 HoCo2 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 (Fe1−XCoX)75Nb10B15 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.TakayamaMuromachi, Room-temperature magnetocaloric effect in La0.7Sr0.3Mn1-xM’xO3 (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 CoMn1-xFexSi alloys, Accepted to be presented at The 5th International Workshop on Advanced Materials Science and Nanotechnology, Ha Noi, 2010 Cách tiếp cận phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật sử dụng: Hiệu ứng từ nhiệt biểu diễn qua hệ thức: (1) đó: T nhiệt độ; S entropy hệ; H từ trường 10 Để đánh giá hiệu ứng từ nhiệt vật liệu người ta thường dựa vào hai đại lượng, biến thiên entropy từ ∆Sm (2) biến thiên nhiệt độ trình đoạn nhiệt ∆Tad (3): (2) (3) M từ độ C nhiệt dung vật liệu Có hai cách để đánh giá hiệu ứng từ nhiệt vật liệu Cách thứ đo trực tiếp thay đổi nhiệt độ vật liệu từ trường biến thiên Tuy nhiên cách gặp khó khăn việc tạo cách nhiệt cho mẫu vật liệu cần đo với môi trường xung quanh Cách thứ hai đo gián tiếp qua phép đo từ độ M phụ thuộc vào từ trường H nhiệt độ T khác Cách thường áp dụng phép đo dễ thực Trong đề tài dự kiến sử dụng phép đo để đánh giá hiệu ứng vật liệu chế tạo Dựa vào phân tích lý thuyết tương ứng chất MCE, vật liệu từ lý tưởng sử dụng việc làm lạnh từ trường thỏa mãn tất đặc tính sau: (1) ∆SM ∆Tad lớn (nghĩa tổng số moment động lượng (J), hệ số Lande (g) cho vật liệu sắt từ phải lớn); (2) mật độ entropy từ lớn, nhân tố quan trọng góp phần vào hiệu suất hoạt động vật liệu; (3) entropy mạng nhỏ (nghĩa nhiệt độ Debye cao); (4) nhiệt độ Curie nằm vùng lân cận nhiệt độ phòng để đảm bảo thay đổi entropy từ lớn thu dải nhiệt độ phòng chu trình; (5) độ từ trễ giảm gần 0; (6) tượng trễ nhiệt nhỏ; (7) nhiệt dung riêng nhỏ tính dẫn nhiệt lớn để đảm bảo trao đổi nhiệt xảy nhanh chóng thay đổi nhiệt độ đáng kể ; (8) điện trở lớn (nghĩa là: việc đốt nóng dịng điện Fuco yếu dòng điện Fuco thấp); (9) độ ổn định mặt hóa học cao việc tổng hợp mẫu đơn giản Các vấn đề cần giải để nâng cao khả ứng dụng thực tế vật liệu từ nhiệt là: i) tạo hiệu ứng từ nhiệt lớn khoảng từ trường thấp, thiết bị dân dụng khó tạo từ trường lớn; ii) đưa nhiệt độ Curie vật liệu có hiệu ứng từ nhiệt lớn vùng nhiệt độ phịng; iii) mở rộng vùng làm việc (vùng có hiệu ứng từ nhiệt lớn) cho vật liệu để làm lạnh dải nhiệt độ lớn Ngoài ra, số tính chất khác vật liệu nhiệt dung, độ dẫn điện, độ dẫn nhiệt, độ bền, giá thành trọng cho việc ứng dụng loại vật liệu Hiệu ứng từ nhiệt lớn (GMCE) có liên quan đến biến đổi cấu trúc xảy lúc với xếp trật tự từ Trong trường hợp này, phân mạng từ tính phân 11 mạng tinh thể học dễ bị tác động từ trường, chẳng hạn 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 trường hợp này, phân mạng từ tính phân mạng tinh thể dễ bị tác động từ trường.Do vậy, việc nghiên cứu mối liên hệ hiệu ứng từ nhiệt với chuyển pha cấu trúc để tạo nên GMCE cần tập trung vào chất chế Từ tổng hợp vật liệu từ nhiệt Trong nghiên cứu lựa chọn số hợp phần đại diện cho hai loại hợp kim: i) hợp kim Heusler (Co,Ni)-(Mn,Fe)-(Si, Sn, In) ii) hợp kim nguội nhanh Fe Mn Sở dĩ chọn hai loại hợp kim chúng có khả đáp ứng yêu cầu phân tích Các hợp kim có đặc trưng cấu trúc khác nên tìm mối liên hệ chung 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 thường xuất loại hợp kim Nhiệt độ chuyển pha từ hợp kim lựa chọn dễ dàng thay đổi cách thêm vào vài nguyên tố phù hợp Mặt khác loại vật liệu gắn với phương pháp chế tạo khác nhau, thuận lợi việc khai thác thiết bị phát triển tồn diện cơng nghệ chế tạo vật liệu từ nhiệt Rất nhiều công bố khoa học cho thấy rằng, để chế tạo hợp kim từ nhiệt có cấu trúc mong muốn để tạo từ hiệu ứng từ nhiệt lớn tương đối khó khăn phức tạp Chẳng hạn để ổn định cấu trúc, số hợp kim phải xử lý nhiệt thời gian dài Bên cạnh đó, việc tạo hợp kim từ nhiệt có tính, độ bền đáp ứng ứng dụng thực tế không dễ dàng Vì việc nghiên cứu để đưa qui trình cơng nghệ ổn định để chế tạo hợp kim từ nhiệt thiết thực Phương pháp chế tạo mẫu lựa chọn cho đề tài phương pháp luyện kim hồ quang, cảm ứng phun băng hợp kim nguội nhanh Một số mẫu sau chế tạo hai phương pháp xử lý nhiệt để ổn định tạo cấu trúc pha mong muốn Cấu trúc vật liệu khảo sát phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) hiển vi điện tử quét (SEM) Hiệu ứng từ nhiệt nghiên cứu phép đo từ độ Những nội dung nghiên cứu: Nội dung 1: Nghiên cứu công nghệ chế tạo hợp kim Heusler nguội nhanh có hiệu ứng từ nhiệt lớn 12 Tìm hợp phần điều kiện cơng nghệ chế tạo hợp kim có hiệu ứng từ nhiệt lớn có tính chất lý, hóa tốt có khả ứng dụng thiết bị làm lạnh từ trường Sử dụng phương pháp luyện kim hồ quang, cảm ứng phun băng nguội nhanh Các hợp kim Heusler dự kiến chế tạo là: CoMnSi, NiMnSn NiMnSb Các hợp kim nguội nhanh lựa chọn hệ Fe-Cu-Nb-Si-B Thay đổi điều kiện công nghệ tốc độ làm nguội, thời gian ủ nhiệt để tạo hợp kim có cấu trúc mong muốn Nội dung 2: Nghiên cứu mối liên hệ hợp phần, cấu trúc tính chất từ nhiệt hợp kim để hiểu chế hiệu ứng từ nhiệt lớn, từ định hướng chế tạo vật liệu từ nhiệt Thay phần nguyên tố hợp kim Ni cho Mn hay Mn cho Fe (ví 1-x x dụ CoMn Ni Si hay Fe 73.5-x x 13,5 Mn Cu Nb Si B ) để nghiên cứu mối liên hệ cấu trúc tính chất từ nhiệt hợp kim Sử dụng phương pháp nhiễu xạ tia X, hiển vi điện tử để phân tích cấu trúc; sử dụng phép đo từ độ để nghiên cứu tính chất từ xác định độ lớn hiệu ứng từ nhiệt vật liệu Nội dung 3: Nghiên cứu đưa nhiệt độ làm việc hợp kim từ nhiệt vùng nhiệt độ phòng 13 Hiệu ứng từ nhiệt thường có giá trị lớn lân cận vùng chuyển pha từ Vì vậy, để ứng dụng đuợc vật liệu từ nhiệt vùng nhiệt độ phịng phải đưa chuyển pha từ vùng nhiệt độ phòng Chẳng hạn thêm vào nguyên tố phi từ sắt từ yếu để làm giảm nhiệt độ Curie (T C) hợp kim có nhiệt độ TC cao ngược lại, đưa nguyên tố sắt từ mạnh vào để nâng T C hợp kim có TC thấp Tiến độ thực đề tài: (chia nội dung với thời gian bắt đầu, kết thúc, sản phẩm phải đạt người, quan thực hiện) Thời gian Nội dung Nghiên cứu công nghệ chế tạo hợp kim Kết phải đạt (bắt đầu, tổ chức Tìm điều kiện kết thúc) 1/2011 - thực hiện* Nguyễn Huy công nghệ để chế tạo Các nội dung Cá nhân, 4/2011 Dân mẫu nghiên Vũ Hồng Kỳ cứu có cấu trúc mong Nguyễn Hải Yến muốn Phạm Thị Thanh Heusler nguội nhanh Nguyễn Hữu Đức có hiệu ứng từ nhiệt lớn Nội dung Nguyễn Thị Mai hợp phần tính 5/2011 - Nguyễn Huy luật ảnh hưởng hợp Nghiên cứu mối liên hệ Đưa qui 8/2011 Dân phần đến tính chất từ Trần Đăng nhiệt hợp kim Thành Nguyễn Hữu Đức Nguyễn Thị Mai chất từ nhiệt hợp kim để hiểu rõ chế hiệu ứng từ nhiệt lớn, từ định hướng chế tạo vật liệu từ nhiệt 14 Nội dung Chế tạo hợp 9/2011- Nguyễn Huy Nghiên cứu đưa nhiệt độ kim từ nhiệt có hiệu làm việc hợp kim từ ứng từ nhiệt lớn (∆Sm 11/2011 Dân Nguyễn Hải Yến nhiệt vùng nhiệt độ ~0.8-1 J/kg.K từ trường ~12 kOe) vùng phòng Phạm Thị Thanh Nguyễn Hữu nhiệt độ phòng (trong Đức khoảng 300 – 500K) Nội dung Tóm luợc kết 11/2011- Nguyễn Huy Viết báo cáo tổng kết, thu được, nghiệm 12/2011 Dân nghiệm thu đề tài thu đề tài PHẦN III KẾT QUẢ CỦA ĐỀ TÀI 10 Dạng kết dự kiến đề tài: Tên sản phẩm TT tiêu chất lượng chủ yếu Bài báo tạp chí khoa học chuyên ngành Tham gia đào tạo nghiên cứu sinh Tham gia đào tạo cao học Đơn vị người người Dự kiến số lượng sản phẩm tạo 01 01 01 11 Yêu cầu khoa học sản phẩm tạo (tên sản phẩm chủ yếu yêu cầu khoa học cụ thể loại): - Bài báo có chất lượng khoa học tốt đăng tạp chí có uy tín - Học viên cao học bảo vệ luận văn cao học, nghiên cứu sinh sử dụng kết nghiên cứu để viết luận án 12 Yêu cầu kỹ thuật, tiêu chất lượng sản phẩm đề tài thuộc hướng phát triển công nghệ: 13 Khả phương thức ứng dụng kết đề tài: - Vật liệu có khả ứng dụng máy làm lạnh từ trường 14 Các tác động khác kết đề tài (về đào tạo cán bộ, lĩnh vực khoa học có liên quan, phát triển KT-XH): - Tham gia đào tạo cán sau đại học, nâng cao trình độ cho nguồn nhân lực nghiên cứu khoa học 15 - Có tác động vấn đề tiết kiệm lượng bảo vệ môi trường - Có ý nghĩa việc phát triển khoa học cơng nghệ tiên tiến - công nghệ làm lạnh từ trường PHẦN IV CÁC TỔ CHỨC VÀ CÁ NHÂN THAM GIA THỰC HIỆN ĐỀ TÀI 15 Hoạt động tổ chức phối hợp thực đề tài: (tên tổ chức, địa nội dung công việc thực đề tài) 16 Liên kết với sản xuất địa ứng dụng kết đề tài: 17 Danh sách cán thực đề tài (họ tên, trách nhiệm đề tài, quan công tác, số tháng làm việc cho đề tài) ST Trách nhiệm Số tháng Chữ ký Họ Tên Đơn vị công tác T đề tài làm việc Nguyễn Huy Dân Chủ nhiệm Viện KHVL Nguyễn Hải Yến Tham gia Viện KHVL Phạm Thị Thanh Tham gia Viện KHVL 4 Vũ Hồng Kỳ Tham gia Viện KHVL Trần Đăng Thành Tham gia Viện KHVL Nguyễn Hữu Đức Tham gia Viện KHVL Nguyễn Thị Mai Tham gia ĐH Sư phạm HN PHẦN V KINH PHÍ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI 18 Dự tốn kinh phí theo Mục lục NSNN Tổng kinh phí : 50 triệu đồng STT Mục chi A Nội dung chi Nội dung chi giao khoán 31,5 - Thanh toán tiền nước 6550 Thanh tốn điện nước thí nghiệm - Thanh tốn tiền điện 6500 Tổng số (triệu đồng) Văn phòng phẩm dụng cụ văn phòng 16 6600 Thông tin, tuyên truyền, liên lạc (điện thoại) 7000 Chi phí th khốn chun mơn: 15 - Chế tạo hợp kim Heusler nguội nhanh - Phân tich cấu trúc tính chất từ nhiệt hợp kim - Viết báo cáo khoa học 5 7750 7000 1,5 Nội dung chi khơng giao khốn B Chi phí quản lý phí quan chủ trì 18,5 Chi phí nghiệp vụ chun mơn 9,5 - Vật tư hóa chất: + Mn (0,02 tr x 200 g) + Ni (0,015 tr x 200 g) 9050 + Sb (0,025 tr x 100 g) 2,5 Tài sản hữu hình - Máy vi tính Hà Nội, ngày 19 tháng 01 năm 2011 Xác nhận chuyên gia phản biện, HĐKH (ký, ghi rõ họ tên) Chủ nhiệm đề tài, (ký, ghi rõ họ tên) Nguyễn Huy Dân Phê duyệt Thủ trưởng đơn vị chủ trì 17 ... đại học, nâng cao trình độ cho nguồn nhân lực nghiên cứu khoa học 15 - Có tác động vấn đề tiết kiệm lượng bảo vệ mơi trường - Có ý nghĩa việc phát triển khoa học công nghệ tiên tiến - công nghệ. .. tín - Học viên cao học bảo vệ luận văn cao học, nghiên cứu sinh sử dụng kết nghiên cứu để viết luận án 12 Yêu cầu kỹ thuật, tiêu chất lượng sản phẩm đề tài thuộc hướng phát triển công nghệ: 13... nhóm nghiên cứu quan tâm đến vật liệu từ nhiệt 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