ChemTech

Congnghehoahoc.org

Vật liệu nhớ hình từ

Hợp kim nhớ hình từ là một dạng của vật liệu thông minh. Dưới tác dụng của từ trường ngoài, về mặt lý thuyết, các hợp kim này có thể thay đổi kích thước lên tới 10%. Với tính chất đặc biệt này, hệ vật liệu nhớ hình từ (MSM) có rất nhiều tiềm năng ứng dụng trong kỹ thuật. Tương tác của cặp cấu trúc từ trong hiệu ứng MSM là một hiện tượng thú vị đối với các nhà khoa học.

yếu tố chính dẫn đến hiệu ứng MSM là sự chuyển pha cấu trúc của vật liệu từ. Đây chính là cơ sở để tìm kiếm và nghiên cứu các hệ vật liệu MSM. Mn đóng góp chủ yếu vào tính chất từ của trong các hợp kim chứa Mn. Sự tồn tại của các pha khác nhau là do hiệu ứng dải Jahn-Teller trong dải năng lượng của Ni. Sự chuyể pha cấu trúc trong hệ vật liệu Ni2MnGa đã được điều khiển bởi sự dao động entropy tại các nhiệt độ khác nhau.

Tính chất từ then trốt trong MSM là năng lượng dị hướng từ. Với cấu trúc lục giác (c/a = 0,94 của Ni2MnGa) đơn trục từ được đặc trưng bởi hằng số dị hướng bậc nhất. Với sự có mặt của một vài cặp biến thể thì chỉ có hằng số dị hướng bậc hai được quan sát từ thực nghiệm. Ni là nguyên tố chủ yếu đóng góp vào năng lượng dị hướng từ. Đối với hệ Ni2MnGa thì các trục ngắn nhất là trục dễ. Ni là nguyên tố quan trọng quyết định nhiệt độ Curie của hệ mặc dù nó có mô men từ nhỏ hơn Mn.

Hiệu ứng nhớ hình từ (MSM)

Từ giảo là hiện tượng một vật thay đổi kích thước của nó theo từ trường ngoài đặt vào. Tuy nhiên sự biến thể kích thước này rất nhỏ 0,1% với Terfenol-D. Hiệu ứng MSM có cơ chế khác hoàn toàn với từ giảo. với MSM độ thay đổi kích thước có thể lên tới 10%. Hiện tượng từ giảo chỉ được quan sát thấy ở các vật liệu đồng nhất. MSM đòi hỏi vi cấu trúc của vật liệu có sự chuyển pha martensitic. Đây là hiện tượng chuyển từ pha có tính đối xứng cao sang pha có tính đối xứng thấp khi làm lạnh. Với Ni2MnGa pha có tính đối xứng cao là austenite với cấu trúc tinh thể dạng lập phương, pha có tính đối xứng thấp là martensite với cấu trúc tinh thể  dạng tứ giác hoặc lục giác. Cặp song tinh (twin) là phương pháp phổ biến để tạo ra dạng vi cấu trúc đặc biệt này. Các đô men của cấu trúc song tinh này có biên rất rõ nét. Các biên này có tính linh động rất cao. Chính vì lý do này mà vật liệu dễ dàng biến đổi hình dạng.

Các vật liệu có mô men từ tự phát như sắt từ, phản sắt từ, phe rít từ có mô men từ tự phát và thường nằm theo trục dễ của tinh thể. Với cấu trúc song tinh thì mô men từ định hướng khác nhau ở hai phần của cặp song tinh này. Khi có từ trường ngoài đặt vào thì các mô men từ tự phát có xu hướng nằm theo hướng của từ trường ngoài. Nếu năng lượng dị hướng từ đủ lớn thì tinh thể sẽ quay theo hướng từ trường ngoài như được mô tả trong hình dưới đây

Như vậy các yếu tố cần thiết để vật liệu thể hiện hiệu ứng MSM là:

– Vật liệu phải có mô men từ tự phát (sắt từ) và có sự chuyển pha martensite.

– Năng lượng dị hướng từ phải lớn hơn năng lượng cần thiết dịch chuyển vách của cặp song tinh.

Một dạng của vi cấu trúc martensite mà người ta đã tạo ra được gồm ba vùng biến thể

Hai vùng biến thể kế tiếp nhau được ngăn cách bởi mặt phân cách khá rõ ràng và được gọi là mặt phẳng song tinh (twin plane). Mỗi vùng biến thể có một định hướng duy nhất và thường được gọi là trục c. Về cơ bản pha martensitic là trạng thái đa tinh thể bao gồm ba phần có thể tích biến thể được

Các kết quả nghiên cứu cho thấy tác động của từ trường ngoài lên pha martensitic gây ra các hiệu ứng: dịch chuyển vách đô men, tạo các mầm biến thể, chuyển động của các biên song tinh, quay véc tơ từ độ. Năng lượng truyền động cho các quá trình này thường làm giảm năng lượng từ trường ngoài đặt vào. Đây chính là gợi ý cho các phép đo từ cơ và hiệu ứng MSM. Với Ni2MnGa, sự tạo mầm biến thể và sắp xếp lại các vùng biến thể là hai cơ chế chủ yếu làm giảm năng lượng từ trường ngoài hơn là quay véc tơ từ độ. Vì vậy MSM là hiệu ứng chính khi đặt từ trường ngoài vào vật liệu. Mặc dù các hiệu ứng kia không có quan hệ gì với dị hướng tinh thể, nhưng sự suất hiện của chúng cũng làm thay đổi đáng kể độ dốc của đường cong từ hóa và vì vậy cũng ảnh hưởng đến tính dị hướng

Ảnh hưởng của ứng suất ngoài.

Ứng suất ngoài cũng làm biến dạng vật liệu tương tự như từ trường. Hình (I.5) mô tả tác động của ứng suất nén lên mạng tinh thể hai chiều của vật liệu. Sự biến dạng của vật liệu là do các lớp nguyên tử trượt dọc theo hướng của ứng suất ngoài. Kết quả là tinh thể có định hướng ưu tiên theo ứng suất ngoài

Khi FSMA ,với cấu trúc ưu tiên theo từ trường và từ trường ngoài đặt vào bằng không, chịu một ứng suất nén (>3 Mpa) thì các biên song tinh sẽ dịch chuyển và tạo ra cấu trúc ưu tiên theo ứng suất. Độ lớn của biến dạng khoảng 6%. Để phục hồi lại hình dạng ban đầu (cấu trúc ưu tiên theo từ trường) thì cần phải đặt từ trường khoảng (2-3 kOe). Và đây chính là hiệu ứng MSM.

Giải sử ứng suất ngoài đặt dọc theo trục biến thể của vật liệu khi có từ trường ngoài đặt vào. Trong trường hợp này từ trường ngoài sẽ phải thắng năng lượng đàn hồi do ứng suất ngoài đặt vào vật liệu sau đó mới gây ra sự chuyển động của các biên song tinh. Nếu tăng dần ứng suất thì năng lượng từ cần thiết để tạo ra hiệu ứng MSM cũng tăng tỷ lệ thuận theo. Trong trường hợp năng lượng đàn hồi do ứng suất ngoài cung cấp lớn hơn năng lượng dị hướng từ của vật liệu, nếu ta tăng năng lượng từ trường ngoài đạt đến giá trị bằng năng lượng dị hướng thì vật liệu sẽ bị từ hóa theo hướng từ trường ngoài và không có sự dịch chuyển vách song tinh. 

Một cách khác để mô tả hiệu ứng MSM là thông qua đường cong ứng suất – biến dạng. Với từ trường ngoài bằng không, vật liệu NiMnGa chịu một ứng suất kéo dọc theo trục biến dạng

Tại vùng 1, vật liệu biến dạng đàn hồi. Độ biến dạng tăng tuyến tính theo ứng suất. Khi ứng suất đạt tới giá trị giới hạn σs các biên song tinh trở nên linh động. Vì biên song tinh dễ dàng chuyển động cùng với biến dạng đàn hồi nên độ dốc của đường cong tại vùng 2 là khá nhỏ. Khi kết thúc vùng 2 (σf ) độ dốc lại tăng lên và vật liệu tiếp tục biến dạng đàn hồi tại vùng 3. Khi ứng suất đạt tới giá trị tới hạn thì vật liệu bắt đầu biến dạng dẻo. Biến dạng tại vùng 4 vật liệu không thể khôi phục lại hình dạng ban đầu bằng chuyển động của các vách song tinh.

Hình dưới đây mô tả vật liệu chịu ứng suất nén dọc theo trục biến dạng khi từ trường đặt vào bằng không.

Ban đầu vật liệu có cấu trúc ưu tiên theo từ trường. Như trường hợp trên, tại vùng 1 độ biến dạng tăng tuyến tính theo ứng suất (biến dạng đàn hồi). Vùng 2 là quá trình vật liệu chuyển sang cấu trúc ưu tiên theo ứng suất. Vùng 3 tiếp tục là quá trình biến thể đàn hồi của vật liệu. Nếu ứng suất được bỏ đi ở vùng 3 thì vật liệu sẽ khôi phục lại một ít hình dạng ban đầu thông qua biến dạng đàn hồi. Tuy nhiên vật liệu vẫn còn giữ lại một biến dạng lớn ( khoảng 6%). Để vật liệu khôi phục lại hình dạng ban đầu cần đặt từ trường (> 2 kOe) vào vật liệu

 

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s

%d bloggers like this: