Xem mẫu
Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ, Tập 30, Số 1 (2014) 1-6
Tính ch t t và hi u ng t nhi t c a h h p kim ngu i nhanh Fe-M-Zr (M = Ni, Co, Mn)
Nguy n M nh An1,*, Nguy n Huy Dân2
1
i h c H ng c, 565 Quang Trung, Phư ng ông V , Tp.Thanh Hóa 2 Vi n Khoa h c V t li u, Vi n Khoa h c và Công ngh Vi t Nam, 18 Hoàng Qu c Vi t, C u Gi y, Hà N i, Vi t Nam
Nh n ngày 21 tháng 02 năm 2014
Ch nh s a ngày 28 tháng 02 năm 2014; ch p nh n ăng ngày 04 tháng 3 năm 2014
dày ~15 µm ư c ch t o b ng Tóm t t: Các băng h p kim Fe90-xMxZr10 (M = Ni, Co, Mn) v i phương pháp ngu i nhanh trên h tr ng quay ơn tr c. K t qu phân tích nhi u x tia X ch ra r ng các m u băng h p kim có c u trúc vô nh hình. Các phép o t nhi t cho th y nhi t Curie c a h p kim thay i rõ r t khi n ng các nguyên t thay th (M) thay i và kho ng thay i c a nhi t Curie ph thu c v o b n ch t c a nguyên t thay th . V i nguyên t thay th cho Fe là Ni Curie c a h p kim có th ư c ưa v vùng nhi t phòng. T bão hòa c a ho c Co, nhi t h p kim nhi t phòng cũng ư c tăng lên khi n ng Ni ho c Co trong h p kim tăng lên. Các m u băng h p kim th hi n tính t m m v i l c kháng t th p (Hc < 30 Oe). K t qu tính bi n thiên entropy t ∆Sm và kh năng làm l nh RC c a m t s m u băng ch a Co cho th y hi u ng t nhi t c a h h p kim này là khá l n (|∆Sm|max ~ 1 J.kg-1.K-1, RC > 100 J.kg-1 v i ∆H = 11 Oe) và có th ng d ng th c t . T khóa: Hi u ng t nhi t, nhi t Curie, h p kim vô nh hình, công ngh ngu i nhanh, công ngh làm l nh b ng t trư ng.
1. M
u∗
Hi u ng t nhi t (MagnetoCaloric EffectMCE) c a v t li u ư c quan tâm nghiên c u b i nó có th ng d ng trong lĩnh v c làm l nh b ng t trư ng. Vi c làm l nh b ng t trư ng d a trên nguyên lý t trư ng làm thay i entropy c a v t li u. hi u su t làm l nh b ng phương pháp này l n thì hi u ng t nhi t c a v t li u càng ph i l n (có bi n thiên entropy t ∆Sm và thay i nhi t o n nhi t ∆Tad l n).
_______
∗
Tác gi liên h . T: 84-903296502 E-mail: nguyenmanhan@hdu.edu.vn
Vi c ng d ng v t li u t nhi t trong các máy làm l nh có ưu i m là không gây ra ô nhi m môi trư ng như các máy l nh dùng khí, có kh năng nâng cao ư c hi u su t làm l nh (ti t ki m ư c năng lư ng), có th thi t k nh g n, không gây ti ng n và có th dùng trong m t s ng d ng c bi t. Các v n chính c n ư c gi i quy t nâng cao kh năng ng d ng th c t c a v t li u t nhi t là: i) t o ư c hi u ng t nhi t l n trong kho ng t trư ng th p, b i các thi t b dân d ng r t khó t o ra ư c t trư ng l n; ii) ưa nhi t chuy n pha t (nhi t làm vi c) c a các v t li u có hi u ng 1
2
N.M. An, N.H. Dân /Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ, Tập 30, Số 1 (2014) 1-6
t nhi t l n v vùng nhi t phòng; iii) m r ng vùng làm vi c (vùng có hi u ng t nhi t l n) cho v t li u có th làm l nh trong m t d i nhi t l n. Ngoài ra, m t s tính ch t khác c a v t li u như nhi t dung, d n i n, d n nhi t, b n, giá thành... cũng ư c chú tr ng cho vi c ng d ng c a lo i v t li u này. Cùng v i m c tiêu ti t ki m năng lư ng và b o v môi trư ng, vi c tìm ki m các v t v t li u t nhi t có kh năng ng d ng trong các máy làm l nh b ng t trư ng vùng nhi t phòng ngày càng ư c quan tâm nghiên c u. G n ây, nhi u nhóm nghiên c u t p trung vào các v t li u t nhi t ch t o b ng phương pháp ngu i nhanh [1-9]. Ưu i m c a lo i v t li u này là d thay i ư c nhi t Curie (TC), có hi u ng t nhi t l n, có l c kháng t nh , có i n tr su t l n, có giá thành th p... ó là các yêu c u c n thi t cho ng d ng th c t c a v t li u t nhi t. Các h p kim ngu i nhanh n n kim lo i chuy n ti p ư c xem là m t lo i v t li u t nhi t có tri n v ng ng d ng t t do chúng có t bão hòa l n, b n cao, cơ tính t t… Tuy nhiên, nhi t Curie c a h p kim n n kim lo i chuy n ti p thư ng n m ngoài vùng nhi t phòng và chuy n pha t thư ng không s c nét. Vi c l a ch n ư c các h p ph n h p kim có kh năng t o tr ng thái vô nh hình l n mà v n b o m ư c các thông s t c n thi t cho ng d ng trong công ngh làm l nh b ng t trư ng cũng c n ư c nghiên c u sâu r ng hơn. Trong bài báo này, chúng tôi s trình bày m t s k t qu nghiên c u tính ch t t và hi u ng t nhi t trên h h p kim Fe90xMxZr10 (M = Ni, Co, Mn) ư c ch t o b ng phương pháp phun băng ngu i nhanh. 2. Th c nghi m Các m u h p kim ư c cân theo úng thành ph n danh nh t các v t li u ban u có s ch cao (Fe, Co, Ni, Mn, Zr) và ư c n u h quang (Trung Qu c) t o ra các m u kh i. H p kim sau m i l n n u ư c l t và n u l i,
công vi c này ư c l p l i năm l n t ư c s ng nh t c a m u. Các m u h p kim kh i thu ư c dùng ch t o các băng b ng k thu t phun băng ngu i nhanh trên h tr ng ng ơn tr c ZKG-1 (Trung Qu c) có bu ng t o m u trong khí Ar tránh s oxy hóa. C u trúc c a các m u ư c phân tích b ng phương pháp nhi u x tia X (XRD) trên thi t b SIEMENS D-5000 ( c). Các phép o t ư c th c hi n trên h t k m u rung (VSM) t l p t (t i Vi n Khoa h c v t li u) v i t trư ng c c i là 12 kOe và nh y c 10-4 emu. Bi n thiên entropy t Sm ư c tính toán t d li u c a các phép o t , s d ng h th c:
H2
∆S m =
H1
∫ ∂T
∂M
H
dH
(1)
3. K t qu và bàn lu n
Các m u băng h p kim Fe90-xMxZr10 (M = Ni, Co, Mn) thu ư c có dày c 15 µm (tương ng v i v n t c dài c a tr ng quay là 40 m/s). Ph nhi u x tia X c a các m u băng h p kim cho th y chúng có c u trúc h u như vô nh hình (không có nh nhi u x rõ nét c trưng cho các pha tinh th ). V i c u trúc vô nh hình, ta có th thay i t ph n c a các nguyên t trong h p kim m t cách tùy ý i u ch nh ư c nhi t Curie c a h p kim t t i giá tr mong mu n. ó là m t trong các ưu th c a h p kim ngu i nhanh. Hình 1 bi u di n các ư ng cong t nhi t rút g n o trong t trư ng 100 Oe c a h h p kim ngu i nhanh Fe90-xMxZr10 (M = Ni, Co và Mn). Ta th y r ng TC c a h p kim ph thu c khá rõ vào n ng và b n ch t c a các nguyên t thay th cho Fe. TC tăng khi nguyên t thay th cho Fe là Ni ho c Co và gi m i khi nguyên t thay th là Mn. Khi chưa có nguyên t thay th (x = 0), TC c a h p kim là ~260 K. Khi thay th 15% Ni cho Fe, TC c a h p kim tăng lên t i ~430 K. Khi thay th 12% Co cho Fe, TC c a
N.M. An, N.H. Dân /Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ, Tập 30, Số 1 (2014) 1-6
3
h p kim tăng lên t i ~500 K. Như v y, Co làm TC c a h p kim tăng m nh hơn so v i nh hư ng c a Ni. S dĩ n ng thay th c a các nguyên t không gi ng nhau là do th i i m làm th c nghi m và các m c tiêu nghiên c u trên t ng h v i các nguyên t thay th khác nhau là khác nhau. Quan sát trên hình 1a và 1b ta nh n th y r ng, ng d ng cho các thi t b làm l nh b ng t trư ng vùng nhi t phòng thì kho ng n ng thay th c a Ni và Co cho Fe trong h p kim m t cách tương ng là 5% và 3%. Còn i v i s thay th Mn cho Fe, TC c a h p kim l i gi m xu ng c 220 K khi n ng Mn tăng t i 6%. Theo m t s các k t qu ã công b [10, 11], nhi t Curie ph thu c vào mô men t nguyên t và h ng s tương tác trao i trong các h p kim. C u trúc b t tr t t trong
các h p kim vô nh hình d n n s bi n thiên v kho ng cách và s nguyên t lân c n g n nh t, d n n mô men t nguyên t và liên k t tương tác trao i c c b b thăng giáng. S thăng giáng ng u nhiên có th làm tăng hay gi m nhi t Curie tuỳ thu c vào l nc a các liên k t s t t . i v i các h p kim ch a Co, nhi t Curie thư ng tăng lên do tương tác s t t trong h p kim ư c tăng cư ng. S có m t c a Ni trong các h p kim vô nh hình n n Fe-Zr ã làm cho mô men t trung bình c a h p kim tăng lên, d n n s tăng c a nhi t Curie. Còn i v i các h p kim n n Fe-Mn, tương tác trao i gi a các nguyên t Fe và Mn thư ng có giá tr âm nên ã làm cho c mô men t trung bình và nhi t Curie c a h p kim b suy gi m.
x=0 x=5 1
Tmin
x = 10 x = 15
x=1 x=2 x=3 x=4
x=6 x=9 x = 12
1 M/M
100K
M/M
0 150 200 250 300 350 T (K) 400 450
0 100
200
300 400 T (K)
500
(b)
(a)
1
100K
M/M
x=1 x=2 x=3 x=4 x=6
0 100
150
200 T (K)
250
300
(c) Hình 1. Các ư ng cong t nhi t rút g n o trong t trư ng 100 Oe c a h h p kim ngu i nhanh Fe90-xMxZr10 v i M = Ni (a), Co (b) và Mn (c).
4
N.M. An, N.H. Dân /Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ, Tập 30, Số 1 (2014) 1-6
kh o sát nh hư ng c a Ni và Co lên t bão hòa và l c kháng t c a h p kim, các phép o t tr nhi t phòng cho các m u băng h p kim ngu i nhanh Fe90-xMxZr10 v i M = Ni và Co ư c th c hi n (hình 2). Ta th y r ng t t c các m u ã kh o sát u th hi n tính t m m v i l c kháng t nh (Hc < 30 Oe). T bão hòa c a h p kim tăng ơn i u khi
thay th Fe b ng Ni ho c Co. Tuy nhiên, Co làm tăng t bão hòa c a h p kim m nh hơn so v i Ni. S tăng t bão hòa nhi t phòng c a h p kim khi có m t c a Ni và Co có th m t ph n do mô men t nguyên t trung bình trong h p kim tăng lên [10, 11], ph n khác do s tăng lên c a nhi t Curie.
100 50 M (emu/g) 0
160
80 M (emu/g)
0
-50 -100 -12 -6 0 H (kOe) 6
x=0 x=5 x = 10 x = 15 x = 20 x = 25 12
-80
-160 -12
x= x= x= x= x= x= x=
12 9 6 4 3 2 1
-6
0 H (kOe)
6
12
(b) phòng c a h h p kim ngu i nhanh Fe90-xMxZr10 v i M = Ni (a) và Co (b).
(a) Hình 2. Các ư ng t tr nhi t
ánh giá l n c a hi u ng t nhi t c a h p kim, bi n thiên entropy t Sm c a m t s m u băng c a h h p kim Fe90-xCoxZr10 (x = 1, 2, 3 và 4) ư c xác nh. bi n thiên
100 270 K 80
entropy t Sm c a các m u ư c xác nh theo phương pháp gián ti p t các ư ng M(H) các nhi t khác nhau (hình 3) b ng cách s d ng h th c (1).
1.2 1 − ∆S (J. kg-1. K-1) x=4 x=3 x=2 x=1
M (emu/g)
60 40 20
∆Τ = 10 Κ
0.8 0.6 0.4 0.2 0 150
400 K 0 0 2 4 6 8 H (Oe) 10 12 14
M
200
250 300 T (K)
350
400
Hình 3. H ư ng cong M(H) t i các nhi t khác nhau c a m u băng h p kim Fe87Co3Zr10.
Hình 4. S ph thu c c a bi n thiên entropy t Sm c a các m u băng h p kim Fe90-xCoxZr10 vào nhi t (x = 1, 2, 3 và 4) v i H = 11 kOe.
N.M. An, N.H. Dân /Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ, Tập 30, Số 1 (2014) 1-6
5
K t qu cho th y các m u u cho bi n thiên entropy t âm và t giá tr cao xung quanh nhi t chuy n pha t (hình 4). bi n thiên entropy t c c i | Sm|max c a các m u có xu th tăng d n khi tăng n ng Co và t các giá tr l n lư t là 0,89; 0,93; 1,02 và 1,08 J.kg1 .K-1) v i thiên t trư ng H = 11 kOe. Nh ng giá tr thu ư c v bi n thiên entropy t c c i ã t ư c c a các m u h p kim này là khá l n khi bi n thiên c a t trư ng ngoài ch là 11 kOe. Hơn n a, kh năng làm l nh RC ( ư c xác nh b ng tích c a bi n thiên entropy t c c i | Sm|max v i bán r ng (FWHM) c a ư ng cong Sm(T)) c a các m u u khá cao (>100 J.kg-1). Các giá tr RC này u cao hơn so v i RC c a các h p kim ngu i nhanh ã ư c công b như Finemet (Fe68,5Mo5Si13,5B9Cu1Nb3), Nanoperm (Fe83Fe91-xMo8Cu1Bx), HiTperm xCoxZr6B10Cu1, (Fe60-xMnxCo18Nb6B16) và các h p kim vô nh hình kh i (FexCoyBzCuSi3Al5Ga2P10) [1-5]. i u ó cho th y kh năng ng d ng c a h p kim ngu i nhanh Fe-Co-Zr cho công ngh làm l nh b ng t trư ng vùng nhi t phòng là r t l n.
li u này trong công ngh làm l nh b ng t trư ng.
L i c m ơn
Công trình nghiên c u này ư c s h tr kinh phí t tài c p B Giáo d c và ào t o mã s B2013-42-24 và tài c p Vi n Hàn lâm Khoa h c và Công ngh Vi t Nam mã s VAST03.04/14-15. Các tác gi xin cám ơn s giúp c a ThS. N.H. Y n, ThS. P.T. Thanh, ThS. .C. Linh và ThS. N.H. c. M t s th c nghi m ư c th c hi n t i Phòng thí nghi m Tr ng i m v V t li u và Linh ki n i n t và Phòng V t lí V t li u T và Siêu d n, Vi n Khoa h c v t li u.
Tài li u tham kh o
[1] V. Franco, J.M. Borrego, A. Conde, S. Roth, Influence of Co addition on the magnetocaloric effect of FeCoSiAlGaPCB amorphous alloys, Appl. Phys. Lett., 88 (2006) 132509. V. Franco, J.S. Blazquez, M. Millan, J.M. Borrego, C.F. Conde, A. Conde, The magnetocaloric effect in soft magnetic amorphous alloys, J. Appl. Phys., 101 (2007) 09C503. 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, J. Alloys Comp., 496 (2010) 7. A. Waske, B. Schwarz, N. Mattern, J. Eckert, Magnetocaloric (Fe-B)-based amorphous alloys, J. Magn. Magn. Mater., 329 (2013) 101. N. Chau, P.Q. Thanh, N.Q. Hoa, N.D. The, The existence of giant magnetocaloric effect and laminar structure in Fe73.5−xCrxSi13.5B9Nb3Cu1, J. Magn. Magn. Mater., 304 (2006) 36. The-Long Phan, P. Zhang, N. H. Dan, N. H. Yen, P. T. Thanh, T. D. Thanh, M. H. Phan, and
[2]
4. K t lu n
Chúng tôi ã thu ư c m t s k t qu nghiên c u có ý nghĩa khoa h c và th c ti n t t v tính ch t t và hi u ng t nhi t l n trên h h p kim Fe90-xMxZr10 (M = Ni, Co, Mn) ch t o b ng phương pháp phun băng ngu i nhanh. Nhi t Curie c a h p kim có th ư c i u ch nh v vùng nhi t phòng b ng cách l a ch n n ng c a nguyên t thay th thích h p. Bi n thiên entropy t c c i | Sm|max và kh năng làm l nh RC c a h p kim Fe-Co-Zr là khá l n, cho th y kh năng ng d ng c a lo i v t
[3]
[4]
[5]
[6]
nguon tai.lieu . vn
Tính ch t t và hi u ng t nhi t c a h h p kim ngu i nhanh Fe-M-Zr (M = Ni, Co, Mn)
Nguy n M nh An1,*, Nguy n Huy Dân2
1
i h c H ng c, 565 Quang Trung, Phư ng ông V , Tp.Thanh Hóa 2 Vi n Khoa h c V t li u, Vi n Khoa h c và Công ngh Vi t Nam, 18 Hoàng Qu c Vi t, C u Gi y, Hà N i, Vi t Nam
Nh n ngày 21 tháng 02 năm 2014
Ch nh s a ngày 28 tháng 02 năm 2014; ch p nh n ăng ngày 04 tháng 3 năm 2014
dày ~15 µm ư c ch t o b ng Tóm t t: Các băng h p kim Fe90-xMxZr10 (M = Ni, Co, Mn) v i phương pháp ngu i nhanh trên h tr ng quay ơn tr c. K t qu phân tích nhi u x tia X ch ra r ng các m u băng h p kim có c u trúc vô nh hình. Các phép o t nhi t cho th y nhi t Curie c a h p kim thay i rõ r t khi n ng các nguyên t thay th (M) thay i và kho ng thay i c a nhi t Curie ph thu c v o b n ch t c a nguyên t thay th . V i nguyên t thay th cho Fe là Ni Curie c a h p kim có th ư c ưa v vùng nhi t phòng. T bão hòa c a ho c Co, nhi t h p kim nhi t phòng cũng ư c tăng lên khi n ng Ni ho c Co trong h p kim tăng lên. Các m u băng h p kim th hi n tính t m m v i l c kháng t th p (Hc < 30 Oe). K t qu tính bi n thiên entropy t ∆Sm và kh năng làm l nh RC c a m t s m u băng ch a Co cho th y hi u ng t nhi t c a h h p kim này là khá l n (|∆Sm|max ~ 1 J.kg-1.K-1, RC > 100 J.kg-1 v i ∆H = 11 Oe) và có th ng d ng th c t . T khóa: Hi u ng t nhi t, nhi t Curie, h p kim vô nh hình, công ngh ngu i nhanh, công ngh làm l nh b ng t trư ng.
1. M
u∗
Hi u ng t nhi t (MagnetoCaloric EffectMCE) c a v t li u ư c quan tâm nghiên c u b i nó có th ng d ng trong lĩnh v c làm l nh b ng t trư ng. Vi c làm l nh b ng t trư ng d a trên nguyên lý t trư ng làm thay i entropy c a v t li u. hi u su t làm l nh b ng phương pháp này l n thì hi u ng t nhi t c a v t li u càng ph i l n (có bi n thiên entropy t ∆Sm và thay i nhi t o n nhi t ∆Tad l n).
_______
∗
Tác gi liên h . T: 84-903296502 E-mail: nguyenmanhan@hdu.edu.vn
Vi c ng d ng v t li u t nhi t trong các máy làm l nh có ưu i m là không gây ra ô nhi m môi trư ng như các máy l nh dùng khí, có kh năng nâng cao ư c hi u su t làm l nh (ti t ki m ư c năng lư ng), có th thi t k nh g n, không gây ti ng n và có th dùng trong m t s ng d ng c bi t. Các v n chính c n ư c gi i quy t nâng cao kh năng ng d ng th c t c a v t li u t nhi t là: i) t o ư c hi u ng t nhi t l n trong kho ng t trư ng th p, b i các thi t b dân d ng r t khó t o ra ư c t trư ng l n; ii) ưa nhi t chuy n pha t (nhi t làm vi c) c a các v t li u có hi u ng 1
2
N.M. An, N.H. Dân /Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ, Tập 30, Số 1 (2014) 1-6
t nhi t l n v vùng nhi t phòng; iii) m r ng vùng làm vi c (vùng có hi u ng t nhi t l n) cho v t li u có th làm l nh trong m t d i nhi t l n. Ngoài ra, m t s tính ch t khác c a v t li u như nhi t dung, d n i n, d n nhi t, b n, giá thành... cũng ư c chú tr ng cho vi c ng d ng c a lo i v t li u này. Cùng v i m c tiêu ti t ki m năng lư ng và b o v môi trư ng, vi c tìm ki m các v t v t li u t nhi t có kh năng ng d ng trong các máy làm l nh b ng t trư ng vùng nhi t phòng ngày càng ư c quan tâm nghiên c u. G n ây, nhi u nhóm nghiên c u t p trung vào các v t li u t nhi t ch t o b ng phương pháp ngu i nhanh [1-9]. Ưu i m c a lo i v t li u này là d thay i ư c nhi t Curie (TC), có hi u ng t nhi t l n, có l c kháng t nh , có i n tr su t l n, có giá thành th p... ó là các yêu c u c n thi t cho ng d ng th c t c a v t li u t nhi t. Các h p kim ngu i nhanh n n kim lo i chuy n ti p ư c xem là m t lo i v t li u t nhi t có tri n v ng ng d ng t t do chúng có t bão hòa l n, b n cao, cơ tính t t… Tuy nhiên, nhi t Curie c a h p kim n n kim lo i chuy n ti p thư ng n m ngoài vùng nhi t phòng và chuy n pha t thư ng không s c nét. Vi c l a ch n ư c các h p ph n h p kim có kh năng t o tr ng thái vô nh hình l n mà v n b o m ư c các thông s t c n thi t cho ng d ng trong công ngh làm l nh b ng t trư ng cũng c n ư c nghiên c u sâu r ng hơn. Trong bài báo này, chúng tôi s trình bày m t s k t qu nghiên c u tính ch t t và hi u ng t nhi t trên h h p kim Fe90xMxZr10 (M = Ni, Co, Mn) ư c ch t o b ng phương pháp phun băng ngu i nhanh. 2. Th c nghi m Các m u h p kim ư c cân theo úng thành ph n danh nh t các v t li u ban u có s ch cao (Fe, Co, Ni, Mn, Zr) và ư c n u h quang (Trung Qu c) t o ra các m u kh i. H p kim sau m i l n n u ư c l t và n u l i,
công vi c này ư c l p l i năm l n t ư c s ng nh t c a m u. Các m u h p kim kh i thu ư c dùng ch t o các băng b ng k thu t phun băng ngu i nhanh trên h tr ng ng ơn tr c ZKG-1 (Trung Qu c) có bu ng t o m u trong khí Ar tránh s oxy hóa. C u trúc c a các m u ư c phân tích b ng phương pháp nhi u x tia X (XRD) trên thi t b SIEMENS D-5000 ( c). Các phép o t ư c th c hi n trên h t k m u rung (VSM) t l p t (t i Vi n Khoa h c v t li u) v i t trư ng c c i là 12 kOe và nh y c 10-4 emu. Bi n thiên entropy t Sm ư c tính toán t d li u c a các phép o t , s d ng h th c:
H2
∆S m =
H1
∫ ∂T
∂M
H
dH
(1)
3. K t qu và bàn lu n
Các m u băng h p kim Fe90-xMxZr10 (M = Ni, Co, Mn) thu ư c có dày c 15 µm (tương ng v i v n t c dài c a tr ng quay là 40 m/s). Ph nhi u x tia X c a các m u băng h p kim cho th y chúng có c u trúc h u như vô nh hình (không có nh nhi u x rõ nét c trưng cho các pha tinh th ). V i c u trúc vô nh hình, ta có th thay i t ph n c a các nguyên t trong h p kim m t cách tùy ý i u ch nh ư c nhi t Curie c a h p kim t t i giá tr mong mu n. ó là m t trong các ưu th c a h p kim ngu i nhanh. Hình 1 bi u di n các ư ng cong t nhi t rút g n o trong t trư ng 100 Oe c a h h p kim ngu i nhanh Fe90-xMxZr10 (M = Ni, Co và Mn). Ta th y r ng TC c a h p kim ph thu c khá rõ vào n ng và b n ch t c a các nguyên t thay th cho Fe. TC tăng khi nguyên t thay th cho Fe là Ni ho c Co và gi m i khi nguyên t thay th là Mn. Khi chưa có nguyên t thay th (x = 0), TC c a h p kim là ~260 K. Khi thay th 15% Ni cho Fe, TC c a h p kim tăng lên t i ~430 K. Khi thay th 12% Co cho Fe, TC c a
N.M. An, N.H. Dân /Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ, Tập 30, Số 1 (2014) 1-6
3
h p kim tăng lên t i ~500 K. Như v y, Co làm TC c a h p kim tăng m nh hơn so v i nh hư ng c a Ni. S dĩ n ng thay th c a các nguyên t không gi ng nhau là do th i i m làm th c nghi m và các m c tiêu nghiên c u trên t ng h v i các nguyên t thay th khác nhau là khác nhau. Quan sát trên hình 1a và 1b ta nh n th y r ng, ng d ng cho các thi t b làm l nh b ng t trư ng vùng nhi t phòng thì kho ng n ng thay th c a Ni và Co cho Fe trong h p kim m t cách tương ng là 5% và 3%. Còn i v i s thay th Mn cho Fe, TC c a h p kim l i gi m xu ng c 220 K khi n ng Mn tăng t i 6%. Theo m t s các k t qu ã công b [10, 11], nhi t Curie ph thu c vào mô men t nguyên t và h ng s tương tác trao i trong các h p kim. C u trúc b t tr t t trong
các h p kim vô nh hình d n n s bi n thiên v kho ng cách và s nguyên t lân c n g n nh t, d n n mô men t nguyên t và liên k t tương tác trao i c c b b thăng giáng. S thăng giáng ng u nhiên có th làm tăng hay gi m nhi t Curie tuỳ thu c vào l nc a các liên k t s t t . i v i các h p kim ch a Co, nhi t Curie thư ng tăng lên do tương tác s t t trong h p kim ư c tăng cư ng. S có m t c a Ni trong các h p kim vô nh hình n n Fe-Zr ã làm cho mô men t trung bình c a h p kim tăng lên, d n n s tăng c a nhi t Curie. Còn i v i các h p kim n n Fe-Mn, tương tác trao i gi a các nguyên t Fe và Mn thư ng có giá tr âm nên ã làm cho c mô men t trung bình và nhi t Curie c a h p kim b suy gi m.
x=0 x=5 1
Tmin
x = 10 x = 15
x=1 x=2 x=3 x=4
x=6 x=9 x = 12
1 M/M
100K
M/M
0 150 200 250 300 350 T (K) 400 450
0 100
200
300 400 T (K)
500
(b)
(a)
1
100K
M/M
x=1 x=2 x=3 x=4 x=6
0 100
150
200 T (K)
250
300
(c) Hình 1. Các ư ng cong t nhi t rút g n o trong t trư ng 100 Oe c a h h p kim ngu i nhanh Fe90-xMxZr10 v i M = Ni (a), Co (b) và Mn (c).
4
N.M. An, N.H. Dân /Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ, Tập 30, Số 1 (2014) 1-6
kh o sát nh hư ng c a Ni và Co lên t bão hòa và l c kháng t c a h p kim, các phép o t tr nhi t phòng cho các m u băng h p kim ngu i nhanh Fe90-xMxZr10 v i M = Ni và Co ư c th c hi n (hình 2). Ta th y r ng t t c các m u ã kh o sát u th hi n tính t m m v i l c kháng t nh (Hc < 30 Oe). T bão hòa c a h p kim tăng ơn i u khi
thay th Fe b ng Ni ho c Co. Tuy nhiên, Co làm tăng t bão hòa c a h p kim m nh hơn so v i Ni. S tăng t bão hòa nhi t phòng c a h p kim khi có m t c a Ni và Co có th m t ph n do mô men t nguyên t trung bình trong h p kim tăng lên [10, 11], ph n khác do s tăng lên c a nhi t Curie.
100 50 M (emu/g) 0
160
80 M (emu/g)
0
-50 -100 -12 -6 0 H (kOe) 6
x=0 x=5 x = 10 x = 15 x = 20 x = 25 12
-80
-160 -12
x= x= x= x= x= x= x=
12 9 6 4 3 2 1
-6
0 H (kOe)
6
12
(b) phòng c a h h p kim ngu i nhanh Fe90-xMxZr10 v i M = Ni (a) và Co (b).
(a) Hình 2. Các ư ng t tr nhi t
ánh giá l n c a hi u ng t nhi t c a h p kim, bi n thiên entropy t Sm c a m t s m u băng c a h h p kim Fe90-xCoxZr10 (x = 1, 2, 3 và 4) ư c xác nh. bi n thiên
100 270 K 80
entropy t Sm c a các m u ư c xác nh theo phương pháp gián ti p t các ư ng M(H) các nhi t khác nhau (hình 3) b ng cách s d ng h th c (1).
1.2 1 − ∆S (J. kg-1. K-1) x=4 x=3 x=2 x=1
M (emu/g)
60 40 20
∆Τ = 10 Κ
0.8 0.6 0.4 0.2 0 150
400 K 0 0 2 4 6 8 H (Oe) 10 12 14
M
200
250 300 T (K)
350
400
Hình 3. H ư ng cong M(H) t i các nhi t khác nhau c a m u băng h p kim Fe87Co3Zr10.
Hình 4. S ph thu c c a bi n thiên entropy t Sm c a các m u băng h p kim Fe90-xCoxZr10 vào nhi t (x = 1, 2, 3 và 4) v i H = 11 kOe.
N.M. An, N.H. Dân /Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ, Tập 30, Số 1 (2014) 1-6
5
K t qu cho th y các m u u cho bi n thiên entropy t âm và t giá tr cao xung quanh nhi t chuy n pha t (hình 4). bi n thiên entropy t c c i | Sm|max c a các m u có xu th tăng d n khi tăng n ng Co và t các giá tr l n lư t là 0,89; 0,93; 1,02 và 1,08 J.kg1 .K-1) v i thiên t trư ng H = 11 kOe. Nh ng giá tr thu ư c v bi n thiên entropy t c c i ã t ư c c a các m u h p kim này là khá l n khi bi n thiên c a t trư ng ngoài ch là 11 kOe. Hơn n a, kh năng làm l nh RC ( ư c xác nh b ng tích c a bi n thiên entropy t c c i | Sm|max v i bán r ng (FWHM) c a ư ng cong Sm(T)) c a các m u u khá cao (>100 J.kg-1). Các giá tr RC này u cao hơn so v i RC c a các h p kim ngu i nhanh ã ư c công b như Finemet (Fe68,5Mo5Si13,5B9Cu1Nb3), Nanoperm (Fe83Fe91-xMo8Cu1Bx), HiTperm xCoxZr6B10Cu1, (Fe60-xMnxCo18Nb6B16) và các h p kim vô nh hình kh i (FexCoyBzCuSi3Al5Ga2P10) [1-5]. i u ó cho th y kh năng ng d ng c a h p kim ngu i nhanh Fe-Co-Zr cho công ngh làm l nh b ng t trư ng vùng nhi t phòng là r t l n.
li u này trong công ngh làm l nh b ng t trư ng.
L i c m ơn
Công trình nghiên c u này ư c s h tr kinh phí t tài c p B Giáo d c và ào t o mã s B2013-42-24 và tài c p Vi n Hàn lâm Khoa h c và Công ngh Vi t Nam mã s VAST03.04/14-15. Các tác gi xin cám ơn s giúp c a ThS. N.H. Y n, ThS. P.T. Thanh, ThS. .C. Linh và ThS. N.H. c. M t s th c nghi m ư c th c hi n t i Phòng thí nghi m Tr ng i m v V t li u và Linh ki n i n t và Phòng V t lí V t li u T và Siêu d n, Vi n Khoa h c v t li u.
Tài li u tham kh o
[1] V. Franco, J.M. Borrego, A. Conde, S. Roth, Influence of Co addition on the magnetocaloric effect of FeCoSiAlGaPCB amorphous alloys, Appl. Phys. Lett., 88 (2006) 132509. V. Franco, J.S. Blazquez, M. Millan, J.M. Borrego, C.F. Conde, A. Conde, The magnetocaloric effect in soft magnetic amorphous alloys, J. Appl. Phys., 101 (2007) 09C503. 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, J. Alloys Comp., 496 (2010) 7. A. Waske, B. Schwarz, N. Mattern, J. Eckert, Magnetocaloric (Fe-B)-based amorphous alloys, J. Magn. Magn. Mater., 329 (2013) 101. N. Chau, P.Q. Thanh, N.Q. Hoa, N.D. The, The existence of giant magnetocaloric effect and laminar structure in Fe73.5−xCrxSi13.5B9Nb3Cu1, J. Magn. Magn. Mater., 304 (2006) 36. The-Long Phan, P. Zhang, N. H. Dan, N. H. Yen, P. T. Thanh, T. D. Thanh, M. H. Phan, and
[2]
4. K t lu n
Chúng tôi ã thu ư c m t s k t qu nghiên c u có ý nghĩa khoa h c và th c ti n t t v tính ch t t và hi u ng t nhi t l n trên h h p kim Fe90-xMxZr10 (M = Ni, Co, Mn) ch t o b ng phương pháp phun băng ngu i nhanh. Nhi t Curie c a h p kim có th ư c i u ch nh v vùng nhi t phòng b ng cách l a ch n n ng c a nguyên t thay th thích h p. Bi n thiên entropy t c c i | Sm|max và kh năng làm l nh RC c a h p kim Fe-Co-Zr là khá l n, cho th y kh năng ng d ng c a lo i v t
[3]
[4]
[5]
[6]