Định hướng nghiên cứu vật liệu từ nhiệt và công nghệ làm lạnh bằng từ trường ở trường Đại học Hồng Đức

Bài viết nêu tổng quan về tình hình nghiên cứu trong, ngoài nước, các hướng nghiên cứu chính về vật liệu từ nhiệt và công nghệ làm lạnh bằng từ trường. Đồng thời xác định hướng nghiên cứu tại Đại học Hồng Đức trên cơ sở chương trình hợp tác với Viện Khoa học Vật liệu Việt Nam.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Định hướng nghiên cứu vật liệu từ nhiệt và công nghệ làm lạnh bằng từ trường ở trường Đại học Hồng ĐứcTẠP CHÍ KHOA HỌC, TRƢỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC - SỐ 18. 2014 ĐỊNH HƢỚNG NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU TỪ NHIỆT VÀ CÔNG NGHỆ LÀM LẠNH BẰNG TỪ TRƢỜNG Ở TRƢỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC Nguyễn Mạnh An1 TÓM TẮT Việc ứng dụng vật liệu từ nhiệt trong các máy làm lạnh có ưu điểm là không gây ônhiễm môi trường (như các máy lạnh dùng khí nén), có khả năng nâng cao được hiệu suấtlàm lạnh, giảm thiểu tiếng ồn và các tính năng đặc biệt khác. Vì vậy, việc nghiên cứu cácứng dụng của nó có ý nghĩa cực kỳ quan trọng. Trong bài này, chúng tôi nêu tổng quan vềtình hình nghiên cứu trong, ngoài nước, các hướng nghiên cứu chính về vật liệu từ nhiệt vàcông nghệ làm lạnh bằng từ trường. Đồng thời xác định hướng nghiên cứu tại Đại họcHồng Đức trên cơ sở chương trình hợp tác với Viện Khoa học Vật liệu Việt Nam. Từ khóa: Vật liệu từ nhiệt, công nghệ làm lạnh 1. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƢỚC Hiệu ứng từ nhiệt (MagnetoCaloric Effect-MCE) đã và đang được các nhà khoa họcquan tâm nghiên cứu bởi khả năng ứng dụng to lớn của chúng trong lĩnh vực làm lạnh bằngtừ trường. Việc làm lạnh bằng từ trường dựa trên nguyên lý từ trường làm thay đổi entropycủa vật liệu (hình 1). Do vậy, để hiệu suất làm lạnh bằng phương pháp này lớn thì hiệu ứngtừ nhiệt của vật liệu càng phải lớn (có biến thiên entropy từ SM và thay đổi nhiệt độ đoạnnhiệt Tad lớn). Hình 1. Giản đồ mô tả chu trình làm lạnh bằng từ trường và bằng khí [1]1 5 TẠP CHÍ KHOA HỌC, TRƢỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC - SỐ 18. 2014 Việc ứng dụng vật liệu từ nhiệt trong các máy làm lạnh có ưu điểm là không gây raô nhiễm môi trường như các máy làm lạnh dùng khí nén, có khả năng nâng cao được hiệusuất làm lạnh (tiết kiệm được năng lượng), có thể thiết kế nhỏ gọn, không gây tiếng ồn vàcó thể dùng trong một số ứng dụng đặc biệt. Hiệu ứng từ nhiệt đã được phát hiện từ khá lâu (1881) và đã được ứng dụng trongkỹ thuật làm lạnh ở nhiệt độ rất thấp (đến cỡ micro Kelvin). Tuy vậy, các vật liệu từ nhiệtmới thực sự được quan tâm tập trung nghiên cứu gần đây bởi những phát hiện mới cả về cơchế cũng như độ lớn của hiệu ứng từ nhiệt. Các vật liệu mới được chế tạo với SM ngàycàng được nâng cao. Cùng với mục tiêu tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường, việctìm kiếm các vật liệu từ nhiệt có khả năng ứng dụng trong các máy làm lạnh bằng từ trườngở vùng nhiệt độ phòng ngày càng được quan tâm nghiên cứu. Rất nhiều kết quả nghiên cứuvề vật liệu từ nhiệt đã được công bố trên các tạp chí khoa học hàng đầu thể giới trong thờigian gần đây [2-5]. Đáng chú ý là các kết quả nghiên cứu về hợp kim từ nhiệt chứa Gd (ví dụ nhưGd5(SixGe1 − x), hay Gd1 − xCox), kể từ năm 1997, đã cho thấy khả năng ứng dụng rộng rãicủa công nghệ làm lạnh bằng từ trường [6-7]. Tuy nhiên, các hợp kim chứa Gd có giá thànhrất đắt do khan hiếm nguyên liệu cùng với sự đòi hỏi khắt khe về công nghệ chế tạo. Hơnnữa, các hợp kim này cũng còn chưa đáp ứng được cho một số yêu cầu khác như về độ bền,độ dẫn nhiệt... Ngoài các hợp kim chứa Gd, một số loại vật liệu từ nhiệt khác cũng đang được quantâm nghiên cứu cả về cơ chế cũng như khả năng ứng dụng. Chẳng hạn như các họ vật liệutừ nhiệt RM2 (trong đó: R = Lantanite M = Al, Co hoặc Ni), các hợp kim chứa As [Mn(As1-xSbx), MnFe(P1-xAsx)], các hợp kim chứa La [La(Fe13-xSix), La(Fe,Co,Si,B)13], hợp kimHeusler (Co2TiSi, Co2TiGe, NiMnGa...), hợp kim nguội nhanh nền Fe và Mn, các maganiteperovskite sắt từ (R1-xMxMnO3, trong đó: R = La, Nd, Pr và M = Ca, Sr, Ba)...[8-9]. Để chế tạo được các vật liệu mới có hiệu ứng từ nhiệt lớn (GMCE), một số nhàkhoa học đã tập trung nghiên cứu cơ chế của hiệu ứng này. Gần đây, hiệu ứng từ nhiệt lớnđược tìm thấy ở những vật liệu có sự biến đổi về cấu trúc xảy ra đồng thời với sự sắp xếptrật tự từ nên nhiều nghiên cứu hiện nay đang tập trung vào cơ chế và mối quan hệ giữa sựbiến đổi cấu trúc và sự sắp xếp trật tự từ [5,8,9]. Đối với sự phát triển của các thiết bị làm lạnh bằng từ trường ở vùng nhiệt độphòng, mặc dù nguyên lý hoạt động khá đơn giản nhưng để thiết bị hoạt động có hiệu suấtcao đòi hỏi phải có các thiết kế cấu tạo thích đáng. Mô hình đầu tiên về thiết bị làm lạnhbằng từ trường ở vùng nhiệt độ phòng được thiết kế và chế tạo bởi Brown vào năm 1976.Sau năm 1976, rất nhiều nhóm nghiên cứu quan tâm đến việc thiết kế và chế tạo các thiết bịlàm lạnh bằng từ trường ở vùng nhiệt độ phòng với số lượng ngày càng gia tăng. Kết quảnghiên cứu của các nhóm tiêu biểu trên thế giới cho thấy: Dải nhiệt độ làm lạnh lớn nhấtcủa các thiết bị làm lạnh bằng từ trường ở vùng nhiệt độ phòng đã đạt tới 50 K. Công suất ...