Bằng phương pháp luyện kim hồ quang, cảm ứng và phun băng nguội nhanh, nhóm nghiên cứu đã chế tạo được các hợp kim Heusler sau:Co-(Mn,Fe)-Si; (Ni, Ag, Pr)-Mn-Sn và Ni-Mn-Sb. Các hợp kim nguội nhanh được lựa chọn là (Fe,Mn)-Cu-Nb-Si-B; Fe-(Ni,Co)-Zr và La-(Fe,Co)-(Si,B). Đã tạo được các hợp kim có cấu trúc như mong muốn bằng các thay đổi các điều kiện công nghệ như tốc độ làm nguội, thời gian ủ nhiệt,.... Một số mẫu sau khi chế tạo bằng phương pháp này được xử lý nhiệt để ổn định hoặc tạo ra các cấu trúc pha mong muốn.
Để nghiên cứu mối liên hệ giữa cấu trúc và tính chất từ nhiệt của các hợp kim và hiểu rõ được cơ chế của hiệu ứng từ nhiệt lớn để từ đó định hướng chế tạo các vật liệu từ nhiệt mới, nhóm nghiên cứu đã thay thế từng phần các nguyên tố hợp kim như Fe cho Mn, Co cho Fe, B cho Si,... Sau đó dùng phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD), hiển vi điện tử quét (SEM) để phân tích cấu trúc, sử dụng các phép đo từ độ trên hệ các hệ từ kế mẫu rung và hệ đo tính chất vật lý (PPMS) để nghiên cứu tính chất từ và xác định độ lớn hiệu ứng từ nhiệt của vật liệu.
Hiệu ứng từ nhiệt thường có giá trị lớn ở lân cận vùng chuyển pha, do đó, để ứng dụng được các vật liệu từ nhiệt ở vùng nhiệt độ phòng thì phải đưa được chuyển pha từ về vùng nhiệt độ phòng chẳng hạn như thêm vào các nguyên tố phi từ hoặc sắt từ yếu để làm giảm nhiệt độ Curie (Tc) đối với các hợp kim có nhiệt độ Tc cao và ngược lại, đối với hợp kim có Tc thấp thì cần đưa các nguyên tố sắt từ mạnh vào để nâng Tc.
Các kết quả nghiên cứu đạt được:
Bằng phương pháp hồ quang kết hợp ủ nhiệt ở các chế độ khác nhau, nhóm nghiên cứu đã nghiên cứu công nghệ và chế tạo được các mẫu hợp kim CoMn1-xFexSi với x = 0; 0,05; 0,10; 0,15; 0,20 và 0,25 và Ni0,5Mn0,5-xSnx (x=0-0,4). Các mẫu đều thể hiện tính từ mềm với lực kháng từ Hc nhỏ.
Đối với hợp kim CoMn1-xFexSi, khi nồng độ Fe lớn (x>2), cấu trúc bán Heusler bị phá vỡ hoàn toàn. Hằng số mạng tinh thể thay đổi phụ thuộc vào nồng độ Fe thay thế và điều kiện chế tạo hợp kim. Còn ở hệ hợp kim Heusler Ni0,5Mn0,5-xSnx (x=0-0,4) được chế tạo bằng phương pháp nấu hồ quang và ủ nhiệt ở 1273K trong 2 giờ. Cấu trúc và tính chất từ phụ thuộc rất mạnh vào nồng độ Sn. Nhiệt độ Curie (Tc) của hợp kim tăng đơn điệu trong khoảng 200-400K với sự tăng nồng độ Sn, trong khi đó từ độ bão hòa cực đại (Ms~40 emu/g) tại x = 0,2. Nhiệt độ chuyển pha phản sắt từ/sắt từ xảy ra ở lân cận nhiệt độ phòng tạo nên khả năng ứng dụng thực tế của hợp kim này trong việc làm lạnh bằng từ trường. Đối với hợp kim Fe73,5-xMNxCu1Nb3Si13,5B9 (x=5;10;15 và 20) được chế tạo bằng kỹ thuật phun băng nguội nhanh và sau đó được ủ nhiệt ở 813 K trong 20 phút. Khi nồng độ Mn tăng từ 5 đến 20%, nhiệt độ Curie (Tc) của hợp kim chưa ủ và đã ủ giảm mạnh từ 505k xuống 150K, từ 750K xuống 225K.
Tiếp đến, nhóm nghiên cứu cũng chế tạo thành công các băng vô định hình của hệ vật liệu Fe90-xNixZr10 (x=5; 10; 15; 20) bằng phương pháp phun băng nguội nhanh trên trống quay đơn trục. Xác định được ảnh hưởng của tỷ phần Ni/Fe đến cấu trúc của hệ, Nhiệt độ Curie (Tc) của các mẫu này tăng từ 245K đến 403K khi tăng nồng độ Ni từ 0 đến 15. Đối với hợp kim La(Fe,Co)13-x-ySixBy (x= 0÷3, y = 0÷3) cho thấy Co, Si, và B có ảnh hưởng lớn đến cấu trúc và tính chất từ của hợp kim. Tỷ phẩn pha kiểu NaZn13 tăng lên khi nồng độ Si tăng. Nhiệt độ chuyển pha Curie Tc của hợp kim được đưa về vùng nhiệt độ phòng bằng cách thay đổi hợp phần. Điều này có ý nghĩa rất lớn trong việc điều khiển nhiệt độ làm việc của các chất làm lạnh từ. Độ biến thiên entropy từ cực đại | ΔSm|max, đạt được gần nhiệt độ Tc, bằng khoảng 1,2 J.kg-1.K-1 (với độ biến thiên của ΔH=12 kOe) ở các mẫu có hợp phần thích hợp.
Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu của Đề tài (Mã số 10941-2015) tại Cục Thông tin Khoa học và Công nghệ Quốc gia./.