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
1. Tên đề tài: Nghiên cứu hiệu ứng từ nhiệt lớn trên một số hợp kim Heusler và nguội
nhanh.
2. Thời gian thực hiện: 12 tháng
3. Kinh phí:
- Tổng số: 50 triệu đồng.
- Trong đó từ nguồn ngân sách SNKH: 50 triệu đồng.
4. Chủ nhiệm đề tài:
- Họ và tên, Học hàm, học vị: Nguyễn Huy Dân, PGS.TS.
- Chức vụ: Phó giám đốc PTNTĐ
- Điện thoại: 04.37567155; Email:
- Địa chỉ cơ quan: 18 Hoàng Quốc Việt, Cầu Giấy, Hà Nội
- Các đề tài/dự án đã chủ trì/tham gia trong 5 năm gần đây (từ 2006)
STT Tên đề tài/dự án
Cấp quản lý/
Cơ quan chủ
trì
Thời gian/
Kinh phí
(tháng/triệu
đồng)
Trách nhiệm
trong đề tài/
dự án
và số tháng
làm việc
Thời gian
nghiệm

4
Xây dựng hệ thiết bị dùng
để xác định nồng độ và
hiệu suất xử lý một số loại
khí độc
Cấp Viện
KHCNVN/Viện
KHVL
24/500
Chủ
nhiệm/12
2010/Đạt
5
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
6
Chế tạo nam châm vĩnh
cửu NdFeB quy mô bán
công nghiệp, tích năng
lượng từ 35 MGOe
Cấp cơ sở/Viện
KHVL
12/90 Chủ nhiệm/6 2010/Đạt
PHẦN II. NỘI DUNG KHCN CỦA ĐỀ TÀI
5. Mục tiêu của đề tài: Nghiên cứu công nghệ và cơ chế hiệu ứng từ nhiệt lớn của các

nhiệt được công bố trên các tạp chí khoa học hàng đầu thể giới trong thời gian gần
đây [2-9].
Hình 2. Thiết bị làm lạnh bằng từ truờng ở vùng nhiệt độ phòng được chế tạo bởi hãng
Astronautic Corporation (a) và Chubu-Toshiba (b) [1].
3
Đáng chú ý là các kết quả nghiên về hợp kim từ nhiệt chứa Gd (ví dụ như Gd
5
(Si
x
Ge
1
− x
), hay Gd
1 − x
Co
x
), kể từ năm 1997, đã cho thấy khả năng ứng dụng rộng rãi của công
nghệ làm lạnh bằng từ trường [10-11]. Một số thiết bị làm lạnh bằng từ trường đã
được thử nghiệm chế tạo với các hợp kim từ nhiệt chứa Gd (xem hình 2 và bảng 1).
Tuy nhiên, các hợp kim chứa Gd có giá thành rất đắt do khan hiếm nguyên liệu cùng
với công nghệ chế tạo khắt khe. Mặt khác, các hợp kim này cũng còn chưa thỏa đáng
cho một số yêu cầu khác như độ bền, độ dẫn nhiệt
Bảng 1. Các thông số của một số máy làm lạnh ở vùng nhiệt độ phòng sử dụng
vật liệu từ nhiệt chứa Gd [1].
Viện nghiên
cứu/Công ty
Địa điểm
Thời
gian
Kiểu

2001 Đẩy kéo 2 14 2 (S) Gd & Gd
1−x
Tb
x
lá
Astronautics Wisconsin, USA 2001 Quay 95 25 1.5 (P) Gd khối
Sichuan Inst.
Tech./Nanjing
University
Nanjing, China 2002 Đẩy kéo - 23 1.4 (P)
Gd khối,
Gd
5
Si
1.985
Ge
1.985
Ga
0.03
bột
Chubu
Electric/Toshiba
Yokohama,
Japan
2002 Đẩy kéo 40 27 0.6 (P) Gd
1−x
Dy
x
lá
Chubu

0.85
Er
0.15
khối
Ngoài các hợp kim chứa Gd, một số loại vật liệu từ nhiệt khác cũng đang được quan
tâm nghiên cứu cả về cơ chế cũng như khả năng ứng dụng. Chẳng hạn như các họ vật
liệu từ nhiệt RM
2
(trong đó: R = Lantanite M = Al, Co và Ni), các hợp kim chứa As
[Mn(As
1-x
Sb
x
), MnFe(P
1-x
As
x
)], các hợp kim chứa La [La(Fe
13-x
Si
x
), La(Fe,Si)
13
], hợp
4
kim Heusler (Co
2
TiSi, Co
2
TiGe, NiMnGa ), hợp kim nguội nhanh nền Fe và Mn, các

R = Mn
z = 0,010 5,0 297 6,40
z = 0,025 5,0 297 6,36
z = 0,040 5,0 297 6,30
z = 0,050 5,0 297 6,10
z = 0,100 5,0 297 5,30
z = 0,070 5,0 297 5,00
R = Co
z = 0,015 5,0 297 6,30
z = 0,025 5,0 297 6,10
z = 0,065 5,0 297 7,10
R = Ga
z = 0,010 5,0 297 6,50
z = 0,020 5,0 297 6,00
z = 0,050 5,0 297 5,60
R = B
z = 0,015 5,0 297 7,00
z = 0,025 5,0 297 6,25
z = 0,040 5,0 297 6,60
z = 0,050 5,0 297 6,90
Gd
5
Si
2-x
Ge
2-x
Sn
2x
x = 0,050 1,8 308 6,50
x = 0,100 1,8 294 12,8

15,0
5,00 36,0
t = 0,050
2,00
291,0
9,0
5,00 22,0
t = 0,100
2,00
266,8
30,0
5,00 44,0
t = 0,150
2,00
260,0
23,0
5,00 27,0
t = 0,200
2,00
272,6
3,0
5,00 7,0
Ni
55,4
Mn
20,0
Ga
24,6
1,00 313,5 17,0
2,00 313,5 40,1

∆S (J/kg.K)
MnFe
1-x
Co
x
Ge
x = 0 Ni
2
In P6
3
/mmc 153 0,97 1,6
x = 0,1 Ni
2
In P6
3
/mmc 173 0,97 1,8
x = 0,2 Ni
2
In P6
3
/mmc 209 1,13 2,5
x = 0,3 Ni
2
In P6
3
/mmc 220 1,13 2,9
x = 0,4 Ni
2
In P6
3

Si
x
x = 0,5 Mn
5
Si
3
P6
3
/mmc 298 2,56 7,8
x = 1,0 Mn
5
Si
3
P6
3
/mmc 283 2,52 7,6
x = 1,5 Mn
5
Si
3
P6
3
/mmc 258 2,46 6,9
x = 2,0 Mn
5
Si
3
P6
3
/mmc 198 2,36 6,8

3
P6
3
/mmc 312 2,40 5,6
LaMn
2-x
Fe
x
Ge
2
x = 0,10 ThCr
2
Si
2
mmmI /4
310 1,2 1,02
b
x = 0,15 ThCr
2
Si
2
mmmI /4
295 1,2 0,93
b
x = 0,20 ThCr
2
Si
2
mmmI /4
275 1,2 0,88

mPm3
- - 13
MnAs NiAs
a
P6
3
/mmc 318 3,4 30
Mn
1-
δ
As
0,75
Sb
0,25
6
δ = 0,0
NiAs P6
3
/mmc 232 3,7 14
c
δ = 0,03
NiAs P6
3
/mmc 227 3,3 17
c
δ = 0,05
NiAs P6
3
/mmc 204 3,2 14
c

3
Fm3m 260 0,93 1,7
Ni
52,9
Mn
22,4
Ga
24,7
BiF
3
a
Fm3m 305
∼ 1,3
8,6
Ni
50,9
Mn
24,7
Ga
24,4
BiF
3
a
Fm3m 272
∼ 1,3
3,5
Ni
55,2
Mn
18,6

∼ 1,3
15,6
CoNb
x
Mn
1-x
Sb
x = 0,0 MgAgAs F43m 472 2,00 2,1
b
x = 0,2 MgAgAs F43m 470 3,22 1,4
b
x = 0,4 MgAgAs F43m 465 2,29 1,2
b
x = 0,6 MgAgAs F43m 463 1,85 0,6
b
MnFeP
0,45
As
0,55
Fe
2
P
mP 26
306 - 13
c
MnFeP
0,47
As
0,53
Fe

x = 0,26 Fe
2
P
mP 26
292 4,21 27
x = 0,30 Fe
2
P
mP 26
288 4,29 27
x = 0,33 Fe
2
P
mP 26
260 4,21 45
Các giá trị của |∆S| đúng sự thay đổi của từ trường ∆B = 5T.
a Dưới nhiệt độ chuyển pha martensitic, cấu trúc là tứ giác.
b ∆B = 0,9 T.
c ∆B = 2,0 T.
Để chế tạo được các vật liệu mới có hiệu ứng từ nhiệt lớn (GMCE), một số nhà khoa
học đã tập trung nghiên cứu cơ chế của hiệu ứng này. Do hiệu ứng từ nhiệt lớn được
tìm thấy ở những vật liệu có sự biến đổi về cấu trúc xảy ra đồng thời với sự sắp xếp
trật tự từ nên nhiều nghiên cứu hiện nay tập trung vào cơ chế và mối quan hệ giữa sự
biến đổi cấu trúc và sự sắp xếp trật tự từ [5,8,11].
7
Ở trong nước cũng đã có một số nhóm nghiên cứu quan tâm đến vật liệu từ nhiệt như
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… và
cũng đã có một số công bố khoa học cả ở trong nước và quôc tế [25-29].
Trong nghiên cứu này, chúng tôi sẽ nghiên cứu hiệu ứng từ nhiệt trên các hợp kim

, Science 311, 1270-1271 (2006).
7. Neese B. et al., Large electrocaloric effect in ferroelectric polymers near room
temperature, Science 321, 821-823 (2008).
8. 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).
9. 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 Mn
1−x
Cr
x
CoGe
compounds, Appl. Phys. Lett. 96, 162507 (2010).
10. V. K. Pecharsky and K. A. Gschneidner, Jr., Giant Magnetocaloric Effect in Gd
5
Si
2
Ge
2
,
Physical Review Letters, Vol. 78, No. 23, 4494 (1997).
8
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 Gd
1−x
(Si
0.5
Ge
0.5

33.66
Cr
0.34
In
16
alloy, J. Phys. D: Appl. Phys. 43, 225001 (2010).
18. E. Yüzüak , B. Emre , Y. Elerman and A. Yüce, Giant magnetocaloric effect in Tb
5
Ge
2–
x
Si
2–x
Mn
2x
compounds, Chinese Phys. B, 19, 057501 (2010).
19. I Tereshina , G Politova , E Tereshina , S Nikitin , G Burkhanov , O Chistyakov and A
Karpenkov, Magnetocaloric and magnetoelastic effects in (Tb
0.45
Dy
0.55
)
1-x
Er
x
Co
2

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,

Nb
10
B
15
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.Takayama-
Muromachi, Room-temperature magnetocaloric effect in La
0.7
Sr
0.3
Mn
1-x
M’
x
O
3
(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

hơn. Trong đề tài này chúng tôi cũng dự kiến sử dụng phép đo này để đánh giá hiệu
ứng của vật liệu chế tạo được.
Dựa vào các phân tích lý thuyết tương ứng và bản chất của MCE, các vật liệu từ lý
tưởng sử dụng trong việc làm lạnh bằng từ trường thỏa mãn tất cả các đặc tính sau:
(1) ∆S
M
và ∆T
ad
lớn (nghĩa là tổng số moment động lượng (J), và hệ số Lande (g) cho
vật liệu sắt từ phải lớn); (2) mật độ của entropy từ lớn, đây là một nhân tố quan trọng
góp phần vào hiệu suất hoạt động của các vật liệu; (3) entropy mạng nhỏ (nghĩa là
nhiệt độ Debye cao); (4) nhiệt độ Curie nằm trong vùng lân cận của nhiệt độ phòng để
đảm bảo rằng sự thay đổi entropy từ lớn có thể thu được trong dải nhiệt độ phòng của
chu trình; (5) độ từ trễ giảm gần 0; (6) hiện tượng trễ nhiệt rất nhỏ; (7) nhiệt dung
riêng nhỏ và tính dẫn nhiệt lớn để đảm bảo rằng sự trao đổi nhiệt xảy ra nhanh chóng
và sự thay đổi nhiệt độ là đáng kể ; (8) điện trở lớn (nghĩa là: việc đốt nóng bằng
dòng điện Fuco yếu hoặc dòng điện Fuco thấp); (9) độ ổn định về mặt hóa học cao và
việc tổng hợp mẫu đơn giản.
Các vấn đề chính cần được giải quyết để nâng cao khả năng ứng dụng thực tế của vật
liệu từ nhiệt là: i) tạo được hiệu ứng từ nhiệt lớn trong khoảng từ trường thấp, bởi các
thiết bị dân dụng rất khó tạo ra được từ trường lớn; ii) đưa nhiệt độ Curie của các vật
liệu có hiệu ứng từ nhiệt lớn về vùng nhiệt độ phòng; iii) mở rộng vùng làm việc
(vùng có hiệu ứng từ nhiệt lớn) cho vật liệu để có thể làm lạnh trong một dải nhiệt độ
lớn. Ngoài ra, một số tính chất khác của vật liệu như nhiệt dung, độ dẫn điện, độ dẫn
nhiệt, độ bền, giá thành cũng được chú trọng cho việc ứng dụng của loại vật liệu
này.
Hiệu ứng từ nhiệt lớn (GMCE) có liên quan đến sự biến đổi cấu trúc xảy ra cùng một
lúc với sự sắp xếp trật tự từ. Trong trường hợp này, cả phân mạng từ tính và phân
11
mạng tinh thể học dễ bị tác động bởi từ trường, chẳng hạn như chuyển pha sắt từ -

8. Những nội dung nghiên cứu:
Nội dung 1: Nghiên cứu công nghệ chế tạo các hợp kim Heusler và nguội nhanh
có hiệu ứng từ nhiệt lớn.
12
Tìm được hợp phần và các điều kiện công nghệ chế tạo các hợp kim có hiệu ứng
từ nhiệt lớn và có các tính chất lý, hóa tốt có khả năng ứng dụng trong thiết bị làm
lạnh bằng từ trường. Sử dụng phương pháp luyện kim hồ quang, cảm ứng và phun
băng nguội nhanh.
Các hợp kim Heusler dự kiến được chế tạo là: CoMnSi, NiMnSn và NiMnSb.
Các hợp kim nguội nhanh được lựa chọn trên hệ Fe-Cu-Nb-Si-B.
Thay đổi các điều kiện công nghệ như tốc độ làm nguội, thời gian ủ nhiệt để tạo
được các hợp kim có cấu trúc mong muốn
Nội dung 2: Nghiên cứu mối liên hệ giữa hợp phần, cấu trúc và tính chất từ nhiệt
của các hợp kim để hiểu cơ chế của hiệu ứng từ nhiệt lớn, từ đó định hướng chế
tạo các vật liệu từ nhiệt mới.
Thay thế từng phần các nguyên tố của hợp kim như Ni cho Mn hay Mn cho Fe (ví
dụ như CoMn
1-x
Ni
x
Si hay Fe
73.5-x
Mn
x
Cu
1
Nb
3
Si
13,5

kết thúc)
Cá nhân,
tổ chức
thực hiện*
1 Nội dung 1
Nghiên cứu công nghệ
chế tạo các hợp kim
Heusler và nguội nhanh
có hiệu ứng từ nhiệt lớn
Tìm được các điều kiện
công nghệ để chế tạo
được các mẫu nghiên
cứu có cấu trúc mong
muốn
1/2011 -
4/2011
Nguyễn Huy
Dân
Vũ Hồng Kỳ
Nguyễn Hải Yến
Phạm Thị Thanh
Nguyễn Hữu
Đức
Nguyễn Thị Mai
2 Nội dung 2
Nghiên cứu mối liên hệ
giữa hợp phần và tính
chất từ nhiệt của các hợp
kim để hiểu rõ cơ chế của
hiệu ứng từ nhiệt lớn, từ

Nguyễn Huy
Dân
Nguyễn Hải Yến
Phạm Thị Thanh
Nguyễn Hữu
Đức
4 Nội dung 4
Viết báo cáo tổng kết,
nghiệm thu đề tài
Tóm luợc được các kết
quả thu được, nghiệm
thu được đề tài
11/2011-
12/2011
Nguyễn Huy
Dân
PHẦN III. KẾT QUẢ CỦA ĐỀ TÀI
10. Dạng kết quả dự kiến của đề tài:
TT
Tên sản phẩm
và chỉ tiêu chất lượng chủ yếu
Đơn vị
Dự kiến số lượng
sản phẩm tạo ra
1 Bài báo tạp chí khoa học chuyên ngành bài 01
2 Tham gia đào tạo nghiên cứu sinh người 01
3 Tham gia đào tạo cao học người 01
11. Yêu cầu khoa học đối với sản phẩm tạo ra (tên các sản phẩm chủ yếu và yêu cầu
khoa học cụ thể của từng loại):
- Bài báo có chất lượng khoa học tốt được đăng trên các tạp chí có uy tín.

2
3
4
5
6
7
Nguyễn Huy Dân
Nguyễn Hải Yến
Phạm Thị Thanh
Vũ Hồng Kỳ
Trần Đăng Thành
Nguyễn Hữu Đức
Nguyễn Thị Mai
Chủ nhiệm
Tham gia
Tham gia
Tham gia
Tham gia
Tham gia
Tham gia
Viện KHVL
Viện KHVL
Viện KHVL
Viện KHVL
Viện KHVL
Viện KHVL
ĐH Sư phạm HN 1
4
4
4

5 7750 Chi phí quản lý phí cơ quan chủ trì 1,5
B Nội dung chi không giao khoán 18,5
7 7000 Chi phí nghiệp vụ chuyên môn
- Vật tư hóa chất:
+ Mn (0,02 tr x 200 g)
+ Ni (0,015 tr x 200 g)
+ Sb (0,025 tr x 100 g)
9,5
4
3
2,5
8 9050 Tài sản hữu hình
- Máy vi tính
9
9
Hà Nội, ngày 19 tháng 01 năm 2011
Xác nhận của chuyên gia phản biện, HĐKH
(ký, ghi rõ họ và tên)Chủ nhiệm đề tài,
(ký, ghi rõ họ và tên)
Nguyễn Huy Dân
Phê duyệt của Thủ trưởng đơn vị chủ trì
17