Научная статья на тему 'МАГНИТОКАЛОРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ В СПЛАВАХ R3Al2 (R = Gd, Tb, Dy, Ho)'

МАГНИТОКАЛОРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ В СПЛАВАХ R3Al2 (R = Gd, Tb, Dy, Ho) Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

CC BY
20
1
Читать
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
магнитокалорический эффект / магнитное охлаждение / сжижение природного газа / редкоземельные металлы и сплавы / magnetocaloric effect / magnetic cooling / natural gas liquefaction / rare-earth metals and alloys

Аннотация научной статьи по химическим наукам, автор научной работы — Утарбекова Марина Валерьевна, Оршулевич Мария Алексеевна, Батаев Дмитрий Сергеевич, Фазлитдинова Альфия Габдиловна, Таскаев Сергей Валерьевич

Проведены экспериментальные исследования магнитных и магнитокалорических свойств поликристаллических сплавов Gd3Al2, Tb3 Al2, Dy3Al2, Ho3 Al2 во внешних магнитных полях до 3 Тл, а также рассчитано изменение магнитной части энтропии в высоких магнитных полях, генерируемых сверхпроводящими магнитными системами. Магнитные измерения показали, что эти соединения обладают малой коэрцитивной силой и выходят на насыщение в малых полях. Установлено, что магнитокалорический эффект в исследованных соединениях наблюдается в широком температурном диапазоне, а для интерметаллидов Gd3Al2, Tb3Al2, Dy3Al2, Ho3Al2 имеет несколько областей существования, сопоставимых по величине эффекта. Наличие нескольких интервалов существования МКЭ обусловливается серией магнитных фазовых переходов в этих ферримагнитных соединениях.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по химическим наукам , автор научной работы — Утарбекова Марина Валерьевна, Оршулевич Мария Алексеевна, Батаев Дмитрий Сергеевич, Фазлитдинова Альфия Габдиловна, Таскаев Сергей Валерьевич

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
Предварительный просмотрDOI: 10.47475/2500-0101-2024-9-3-501-513
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

MAGNITOCALORIC EFFECT IN R3Al2 (R = Gd, Tb, Dy, Ho) ALLOYS

Experimental studies of magnetic and magnetocaloric properties of polycrystalline alloys Gd3Al2, Tb3 Al2, Dy3 Al2, Ho3 Al2 in external magnetic fields up to 3 Tesla have been carried out, and the change of the magnetic part of entropy in high magnetic fields generated by superconducting magnetic systems has been calculated. Magnetic measurements have shown that these compounds have low coercivity and reach saturation in low fields. It is found that the magnetocaloric effect in the studied compounds is observed in a wide temperature range, and for the intermetallides Gd3Al2, Tb33 Al2, Dy3Al2, Ho3Al2 has several existence regions comparable in the magnitude of the effect. The presence of several intervals of FEM existence is conditioned by a series of magnetic phase transitions in these ferrimagnetic compounds.

Текст научной работы на тему «МАГНИТОКАЛОРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ В СПЛАВАХ R3Al2 (R = Gd, Tb, Dy, Ho)»

Челябинский физико-математический журнал. 2024■ Т. 9, вып. 3. С. 501-513.

УДК 537.638.5 Б01: 10.47475/2500-0101-2024-9-3-501-513

МАГНИТОКАЛОРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ В СПЛАВАХ И3Л12 (Я = Са, ТЬ, Бу, Но)

М. В. Утарбекова", М. А. Оршулевич, Д. С. Батаев, А. Г. Фазлитдинова, С. В. Таскаев

Челябинский государственный университет, Челябинск, Россия " shchichko.marina.csu@gmail.com

Проведены экспериментальные исследования магнитных и магнитокалорических свойств поликристаллических сплавов GdзAl2, тьза12, БузА12, нсза12 во внешних магнитных полях до 3 Тл, а также рассчитано изменение магнитной части энтропии в высоких магнитных полях, генерируемых сверхпроводящими магнитными системами. Магнитные измерения показали, что эти соединения обладают малой коэрцитивной силой и выходят на насыщение в малых полях. Установлено, что магнитокалори-ческий эффект в исследованных соединениях наблюдается в широком температурном диапазоне, а для интерметаллидов GdзAl2, тьза12, БузА^, Н03А12 имеет несколько областей существования, сопоставимых по величине эффекта. Наличие нескольких интервалов существования МКЭ обусловливается серией магнитных фазовых переходов в этих ферримагнитных соединениях.

Ключевые слова: магнитокалорический эффект, магнитное охлаждение, сжижение природного газа, редкоземельные металлы и сплавы.

Введение

В предыдущих исследованиях показана перспективность применения фаз Лаве-са редкоземельных элементов, образованных соединением с никелем и алюминием, для использования в качестве рабочего тела для сжижения природного газа путём магнитного охлаждения [1]. Так как магнитный момент в соединениях ИХ2 (Х=№, А1) находится на ионе редкоземельного элемента, то стоит ожидать, что при увеличении концентрации редкоземельного элемента в структурной формуле соединения увеличится и эффективный магнитный момент, что должно привести к более высокому магнитокалорическому эффекту. В этой работе мы решили изучить магнитокалорический эффект в серии интерметаллидов на основе редкоземельных элементов и алюминия — И.3А12 (где И, = Сё, ТЬ, Ву, Но). Как отмечено в [2], не все редкоземельные металлы формируют устойчивые фазы И3А12. В частности, однофазные сплавы с лёгкими лантаноидами Ьа, Се, Рг, Ыё, Бш не образуются. Параметры кристаллической решётки соединений И3А12 (где И — 4-/ элемент) приведены в табл. 1.

Соединения И3А12 кристаллизуются в тетрагональную решётку типа Zr3A12 группы симметрии Р42пт, в которой атом алюминия находится в призме из атомов 4-/ элементов. Как было отмечено в [3], ферромагнитными являются только соединения И3А12 (И = Сё, ТЬ, Ву, Но), более тяжёлые лантаноиды (Ег и Тш)

Авторы выражают благодарность Российскому научному фонду за поддержку в рамках проекта 22-22-20033.

не показывают ферромагнитного упорядочения, но в соединениях Ег3А12 и Тт3А12 имеются точки Нееля при температурах 9 К и 3 К соответственно, ниже которых они метамагнитны.

Таблица 1

Параметры кристаллической решётки соединений ИзА^ (где И, — 4-/ элемент)

Соединение Параметры решётки Объём элементарной ячейки А3

а с с/а

ZrзAl2-type Оё3А12 8.329 7.578 0.91 525.6

TbзAl2 8.255 7.568 0.92 515.7

ВУ3Л12 8.170 7.523 0.92 502.2

Н03А12 8.182 7.525 0.92 503.1

ЕГ3А12 8.123 7.484 0.92 493.8

У3Л12 8.222 7.620 0.93 515.1

Соединение С^А12 является ферромагнетиком с температурой Кюри 282 К и намагиченностью насыщения 7.1 ^Б на атом гадолиния. ТЬ3А12 также показывает ферромагнитное упорядочение от температуры перехода Т =10 К до точки Кюри Тс= 203 К, ниже 10 К намагниченность резко падает, если измеряется в полях менее 30 кЭ, при измерении в больших полях эта аномалия исчезает и по величине она практически такая же, как и при измерении в более высоких температурах. Соединения Бу3А12 и Но3А12 показывают поведение намагниченности, подобное наблюдаемому в ТЬ3 А12. При высоких температурах все соединения подчиняются закону Кюри — Вейса, эффективный магнитный момент редкоземельного атома близок к моменту соответствующего свободного 3+ иона.

Интерметаллид С^А12 изучался в [4] с применением разных методик. В этой работе магнитокалорический эффект измерялся прямым методом в квазистатических полях до 2 Тл и в импульсных полях до 8 Тл и рассчитывался по температурным и магнитополевым зависимостям теплоёмкости и намагниченности. Соединение фер-римагнитно упорядочивается при 281 К в нулевом магнитном поле. В магнитных полях более ~3 Тл метамагнитный фазовый переход происходит между 40 и 50 К. Сложная картина магнитного упорядочения в этом интерметаллиде непосредственно влияет на поведение магнитокалорического эффекта. При изменении магнитного поля от 0 до 2 Тл адиабатическое изменение температуры (АТа^) составляет ~2 К при температуре Кюри (Тс = 281 К). При увеличении магнитного поля от 2 до 5 Тл и более в интервале температур 15-150 К развиваются дополнительные низкотемпературные аномалии (два максимума и два минимума). Максимумы магнитока-лорического эффекта возникают при 50 К (АТаа = 3.4 К, А$таё = -8.8 Дж/кг-К) и при 281 К (АТаа = 7.7 К, А£таё = -7.2 Дж/кг-К) при изменении магнитного поля от 0 до 10 Тл.

Магнитное упорядочение в сплавах GdA12Si2, С^А12, А^.вСа^ и магнито-калорический эффект в них изучались также в работе [5]. В этой работе Gd3A12 показывает ферромагнитное упорядочение при Тс = 274 К и возможный индуцируемый полем магнитный переход при температуре 46 К в полях свыше 25 кЭ. При изменении внешнего магнитного поля в 50 кЭ в Gd3A12 зарегистрировано изменение магнитной части энтропии -5.65 Дж/кг-К.

Соединение Gd3A12 интересно также тем, что легирование А1 небольшой концентрацией Са (до 15 ат. %) приводит к незначительному изменению температуры Кюри (~1-2 К), но вместе с тем значительно усиливает магнитокалорический эффект (более чем на 30%) [6].

В работе [7] систематически изучены микроструктура, магнитные и магнитока-лорические свойства сплавов Gd3A12, легированных никелем — Gd3NixA12-x (х = 0,

0.1, 0.2, 0.3). Сплав Сё3А12 в этом исследовании не являлся гомогенным, так как наблюдались три различные фазы: Сё3А12, СёА1 и Сё2А1. Пластинчатые фазы СёА1 и Сё2А1 находились в основной фазе сплава Сё3А12, что ухудшало пластичность сплава. В результате легирования небольшим количеством N1 происходит стабилизация фазового состава. Сплавы Сё3№жА12-ж (х = 0, 0.1, 0.2, 0.3) показывают магнитный фазовый переход второго рода при температурах Кюри 275, 274.5, 271 и 269.5 К соответственно. Максимальные изотермические изменения магнитной энтропии составили 2.95, 2.45, 2.02 и 1.42 Дж/кг-К при изменении внешнего магнитного поля в 2 Тл. Максимальные адиабатические изменения температуры составили 2.74, 2.18, 1.56 и 1.14 К для сплавов Сё3№жА12-ж с х = 0, 0.1, 0.2 и 0.3 соответственно. По сравнению с чистым Сё сплавы Сё3№жА12-ж (х = 0, 0.1, 0.2, 0.3) проявляют более слабый магнитокалорический эффект из-за снижения эффективной намагниченности, вызванного добавкой большого количества А1. Однако, как отмечается в работе, более низкая цена сырья и относительно большой магнитокалорический эффект делают сплавы Сё3№жА12-ж (х = 0, 0.1, 0.2,0.3) потенциальными магнитными хладагентами при температуре, близкой к комнатной.

В работе [8] магнитные свойства интерметаллида ТЬ3А12 систематически исследовались двумя методами: путём измерений намагниченности и теплоёмкости образца. Соединение ТЬ3А12 имеет фазовый переход из ферромагнитного в парамагнитное состояние при температуре Кюри Тс = 190 К. Кроме того, вблизи 86 К наблюдается ещё один переход, который, вероятно, соответствует спин-переориентационному переходу. Кроме того, в низкотемпературном диапазоне из-за высокой магнитокристаллической анизотропии может возникнуть сильный эффект замораживания доменной стенки, что приводит к большой собственной коэрцитивной силе. Соединение ТЬ3А12 демонстрирует большой по величине магнитокалори-ческий эффект без гистерезисных потерь около температуры Кюри. Кроме того, полная ширина пика на полувысоте адиабатического изменения температуры для ТЬ3А12 при 50 кЭ составляет 55 К, что более чем в три раза превышыет величину (17 К) для типичного магнитокалорического материала Ьа(Ре0.88В10.12)13.

Магнитные свойства богатых редкоземельными элементами фаз, не содержащих 3-d переходных металлов, таких как Ву3А12, были впервые изучены почти четыре десятилетия назад [9-14]. Из-за классически слабой обменной связи 4/-4/ этот класс соединений обычно характеризуется низкими температурами Кюри (<150 К), но из-за высокого содержания редкоземельных элементов эти фазы могут демонстрировать невероятно высокие уровни магнитокристаллической анизотропии в сочетании с высокой намагниченностью. Монокристаллы Ву3А12 до сих пор содержат рекордное значение энергетического произведения 73 МГЭ при 4 К. Однако магнитотвёрдые свойства этих монокристаллов быстро падают выше 4 К, а коэрцитивность полностью теряется при 20 К.

Соединение Ву3А12 обладает магнитным фазовым переходом из парамагнитного состояния в ферромагнитное при температуре ниже 105 К [9], а при понижении температуры также наблюдается спиновая переориентация при температуре около 70 К. При низких температурах (<10 К) соединение демонстрирует очень большую коэрцитивную силу и сильную магнитную анизотропию, что делает его привлекательным кандидатом во многих практических приложениях [12]. Большая собственная коэрцитивность объясняется эффектом замораживания доменной стенки, вызванным сильной магнитной анизотропией.

За последнее десятилетие найдены несколько соединений на основе Но, в частности Но№!п [15], Но21п [16], НоСа [17], которые обладают несколькими обратимыми

магнитными переходами, и, таким образом, в них наблюдается несколько пиков изменения магнитной части энтропии, а также большие величины охлаждающей ёмкости материала в широком температурном диапазоне. Кроме этого, в работе проводится исследование магнитных свойств и магнитокалорического эффекта соединения H03AI2.

Магнитные свойства и магнитокалорический эффекты интерметаллического соединения Ho3Al2 исследованы методами вибрационной магнитометрии и калориметрии. Обнаружены два последовательных магнитных перехода, а именно, спин-переориентационный фазовый переход при Tqp = 31 К с последующим переходом из ферромагнетика в парамагнетик.

Максимальные полученные значения изменения магнитной части энтропии и адиабатического изменения температуры достигают 18.7 Дж/кг-K и 4.8 К при изменении поля в 5 Тл соответственно. Также было найдено гигантское значение охлаждающей ёмкости (RC), равное 704 Дж/кг для изменения внешнего магнитного поля 5 Тл, что намного выше, чем у многих потенциальных хладагентов с аналогичными температурами перехода.

В связи со сложной картиной магнитных фазовых переходов в изучаемых системах R3Al2 (где R = Gd, Tb, Dy, Ho) и возможной многофазностью этих систем, определяемой методом их синтеза, изучение магнитных, структурных и магнито-тепловых эффектов в систематическом исследовании представляется интересным и актуальным для применения в технологии магнитного охлаждения.

Методики измерений

Кристаллическая структура сплавов изучена с помощью метода рентгенострук-турного анализа при комнатной температуре (XRD) на дифрактометре Bruker D8 Advance (Cu Ka излучение, A = 1.5406 A). Микроструктура и химический состав синтезированных образцов изучались с помощью электронного микроскопа JEOL JSM-6510LA (SEM) в режиме вторичных и отражённых электронов с применением метода энергодисперсионной спектроскопии. Магнитные измерения проводились в диапазоне температур 50-300 К с помощью вибрационного магнитометра Versa Lab Quantum Design (PPMS) в магнитных полях до 3 Тл.

Результаты и обсуждения

Результаты рентгеноструктурного анализа показывают, что исследуемые образцы являются однофазными и хорошо кристаллизованными с минимальным количеством примесей (рис. 1). На рентгенограммах проведено индексирование основных рефлексов, положение которых указано штрихами на оси абсцисс (углы взяты для соответствующих соединений из картотеки ASTM). Незначительное количество примесей представлено, по-видимому, поверхностными оксидами. Параметры кристаллической решётки синтезированных сплавов, полученные из данных рентено-структурного анализа, приведены в табл. 2. Все синтезированные сплавы кристаллизуются в гексагональную кристаллическую решётку типа Zr3Al2 пространственной группы симметрии P6/mmm (191). Уменьшение параметров кристаллической решётки по осям а и с связано с явлением лантаноидного сжатия и уменьшением размеров атомов более тяжёлых 4-f элементов. Как видно из сравнения данных табл. 1 и 2, наблюдается хорошее соответствие между параметрами.

Таблица 2

Рис. 1. Рентгеноструктурный анализ сплавов И3А12 (И = Gd, ТЬ, Бу, Не). Штрихами указаны позиции основных рефлексов из картотеки АБТМ

Параметры кристаллической решётки

Соединение Параметры решётки Объём элементарной ячейки Л3

Пространственная группа а с c/a

Оё3М2 P6/mmm (191) 8.34 7.66 0.92 532.8

^3 М2 8.25 7.57 0.92 515.2

БУ3Л12 8.16 7.56 0.93 503.4

Н03Л12 8.18 7.52 0.92 503.2

Изображения микроструктуры синтезированных сплавов показаны на рис. 2. Съёмка проводилась с неподготовленной поверхности, поэтому присутствует небольшое количество вторичной фазы в виде оксидов. Энергодисперсионный анализ синтезированных материалов подтвердил, что их состав соответствует номинальному.

Температурные зависимости намагниченности исследуемых соединений представлены на рис. 3 для Сё, ТЬ, Ву, Но. На рис. 4 представлены полевые зависимости намагниченности для Но3А12, Сё3А12, ТЬ3А12, Ву3А12 при температурах 50 и 300 К. Для соединений Сё3А12, ТЬ3А12, Ву3А12 определены температуры Кюри (табл.3). Температура Кюри для соединения Но3А12 находится ниже 50 К, что ниже диапазона измерений магнитометра, но по экспериментальным кривым намагниченности видно, что происходит переход в ферромагнитное состояние. Для соединений ТЬ3А12, Ву3А12 также определены температуры спин-ориентационных фазовых переходов, которые происходят в низкотемпературной области (рис.3). В соединениях Но3А12, Сё3А12 такие переходы тоже наблюдаются, но при температурах менее 50 К, что ниже предела измерения магнитометра. На рис. 3 линиями

Рис. 2. Изображения микроструктуры сплавов И3 А12 (И, = Оф ТЬ, Бу, Но) и морфологии их поверхности, полученные методом электронной микроскопии в режиме вторичных электронов

указано смещение температур спин-ориентационных и магнитных фазовых переходов при увеличении внешнего магнитного поля.

Результаты исследования полевых зависимостей намагниченности показали, что соединения обладают малой коэрцитивной силой как в области низких температур, так и при комнатной температуре (табл. 3) и выходят на насыщение в малых полях, что согласуется с существующими литературными данными.

Таблица 3

Изотермическое изменение магнитной части энтропии исследованных сплавов

Соединение Т = 50 К Т = 300 К Тбе , К Тс, К

Мо Не, Тл м5, Ам2кг-1 МоНс, Тл М5, Ам2 кг-1 МоН = 0.2 Тл МоН = 0.2 Тл

Саз А12 0.03 192.5 0.03 54.1 - 274

ТЬз А12 0.04 92.5 0.03 9.3 85 186

БузА12 0.04 99.4 0.03 10.2 68 102

Ноз А12 0.02 74.8 0.03 9.8 - -

Для обратимых магнитных фазовых переходов второго рода изотермическое изменение магнитной энтропии А£т может быть точно рассчитано с помощью соотношения Максвелла

гНтах / дМ\

^ = / (Ж) я ^ (1)

где М — удельная намагниченность, Т — температура, Н — напряжённость магнитного поля. Результаты расчёта изотермического изменения энтропии А£т из полевых зависимостей намагниченности с помощью формулы (1) представлены на рис. 5.

Рис.3. Температурные зависимости намагниченности для Gd3AI2, ТЬзAI2, Dy3AI2, H03AI2

в магнитных полях от 0.2 до 3 Тл

Согласно Oesterreicher and Parker [18], поведение ASm подчиняется линейной зависимости от величины внешнего магнитного поля в степени 2/3, в частности, выражение

Д5т«- 1.07qR ()2/3

описывает полевую зависимость ASm в ферромагнетике вблизи TC и было получено в рамках приближения среднего поля. Здесь q — число магнитных ионов на моль, R — газовая постоянная, д — множитель Ланде, цв — магнетон Бора, k — коэффициент Больцмана, J — значение полного момента, Tc — температура Кюри, H — магнитное поле. Таким образом возможно, используя экспериментальные данные, получить аппроксимационные значения для изменения магнитной части энтропии в более высоких полях, нежели возможно получить на имеющемся оборудовании. Как показали предыдущие исследования, например [1], данный подход достаточно точно определяет величину магнитокалорического эффекта. Результаты этого расчёта представлены на рис. 6.

Для практического использования представляет интерес не только максимальное значение МКЭ, но и температурный диапазон, в котором он наблюдается и его значение сопоставимо с максимальным. В связи с этим мы приводим в табл. 4 эти значения для внешнего магнитного поля 3 Тл и расчётного значения в полях сверхпроводящих магнитных систем с индукцией 20 Тл. В указанном температурном диапазоне величина магнитного изменения энтропии составляет не менее 80 %

200

100

£

сч

< §

см

< §

-100 -200

100 50 0 -50 -100

-1 --1 ■ 1-■- Сс13А12 Г Т 1 -Д-

/ -Т =50 К -Т = 300 К

-3 -2 -1

//0Н, Тл

-2-10 1 2 3

М<р> Тл

-1---т---1-•- 0У3А12 -■-I-- I ■ I

/ -Т= 50 К '

-7= 300 К

100 7 50 О -50 -100

см

< §

—1—--1—--1--— ТЬ3А12 -■-1-1-1-■-1—

л -7" = 50 К

-Т = 300 К

-3 -2 -1 О

МоН> Тл

100 *7 50 О -50

см <

5

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

-100

■ 1--- Но3А12 ■ 1 ■—

-Т= 50 К -Т = 300 К 1.1.1

-3 -2-10 1

ц0Н, Тл

Рис.4. Полевые зависимости намагниченности для СёзА^, ТЪэЛ12, БузА12, Н03А12, измеренные при температурах 50 и 300 К

от максимального значения, приведённого в этой таблице для соответствующего соединения.

Таблица 4

Изотермическое изменение магнитной части энтропии исследованных сплавов

Соединение А£т, Дж кг-1К-1 (для доН = 3 Тл) Температурный диапазон МКЭ, К А£т, Дж кг-1 К-1 (для до Н = 20 Тл)

Оёз А12 3.9 264-291 15.83

ТЬзА12 2.7 76-99; 180-195 11.18

Оу3А12 4.7 76-99; 95-109 19.24

Н03А12 3.5 50-58 17.67

Заключение

В результате проведённого исследования можно сделать следующие выводы.

1. Изменение магнитной части энтропии в исследованных соединениях обладает малой величиной в магнитных полях 3 Тл по сравнению с монокристаллами этих соединений и иными редкоземельными соединениями. Для ТЬ3А12 имеется несколько областей МКЭ, сопоставимых по величине эффекта. Причина малости эффекта в поликристаллических образцах по сравнению с монокристаллами связана с зависимостью эффекта (в том числе и его знака) от направления приложения внешнего магнитного поля к кристаллографической ориентации кристаллита.

Рис.5. Температурные зависимости изменения магнитной энтропии Gdз А12, ТЬз А12, БузА12, Н03 А12 в магнитных полях 1, 2 и 3 Тл

Увеличить величину магнитокалорического эффекта на поликристаллических материалах возможно, создав кристаллографическую текстуру путём направленной кристаллизации.

22 20 19 1$

У 14

Ъ 12 § 10

Со 9 4 *

Л

2 0

. < Ha.AI, [T- SI K}

■ * №^(T-fliK)

* Tb^AI, [Г- 1*7 K| :

(р0Н) Дл

Рис. 6. Зависимость изменения магнитной энтропии для соединений Из А12 от величины внешнего магнитного поля в степени 2/3

2. Показано существование широкого диапазона температур, в котором наблюдается магнитокалорический эффект для этих соединений, а также высокие значения изотермического изменения магнитной части энтропии в магнитных полях 20 Тл. Низкая коэрцитивная сила в ин-терметаллидах Оё3Л12, ТЬ3А12, Бу3А12, Но3А12 и доступность сверхпроводящих источников магнитного поля с высокой индукцией позволяют говорить о практических перспективах их использования в качестве рабочего тела в устройствах сжижения природных газов, работающих на МКЭ.

Список литературы

1. LiuW., BykovE., TaskaevS., et al. A study on rare-earth Laves phases for magnetocaloric liquefaction of hydrogen // Applied Materials Today. 2022. Vol. 29. P. 101624.

2. Buschow K. H. J. Rare earth-aluminium intermetallic compounds of the form RAl and R3AI2 // Journal of the Less-Common Metals. 1965. Vol.8, no.3. P. 209-212.

3. Barbara B., BecleC., LemaireR., Pauthenet R. Magnetic properties of some rare earth-aluminum alloys // Journal of Applied Physics. 1968. Vol.39, no.2. P. 1084-1085.

4. Pecharsky V., Gschneidner K., Dan'kov S. Y., Tishin A. Magnetocaloric properties of Gd3Al2 // Cryocoolers. 2002. Vol. 10. P. 639-645.

5. HuY., Yao J., Knotko A. V., Yapaskurt V. O., Morozkin A. V. Magnetic ordering and magnetocaloric effect of GdAl2Si2, Gd3Al2 and Gd3Al0.gGaL2. 2023. Available at: https://ssrn.com/abstract=4489968.

6. WangD.-H., YinJ.-H., TangS.-L., et al. Study on the magnetocaloric of alloy Gd3Al2-xGax // Acta Physica Sinica. 1999. Vol. 48, no. 13. P. 116-120.

7. GaoL., Wang P., LiuC., Cheng J., ZhongX., GuoF., WanF., LiZ. Microstructure, magnetism and magnetocaloric effect of Gd3NiAl2-alloys // Physica B. Condensed Matter. 2023. Vol.649, no.6. P.414415.

8. HuZ., LiH. Y., JingY. L., ZheW., et al. Magnetic properties and magnetocaloric effect in Tb3Al2 compound // Journal of Alloys and Compounds. 2014. Vol. 615. P. 406409.

9. Buschow K. H. J. The magnetic properties of the compound Dy3Al2 // Physics Letters. 1969. Vol. 29A. P. 12-13.

10. BarbaraB., BecleC., LemaireR., PaccardD. High-performance magnets of rare-earth intermetallics due to an unusual magnetization process // IEEE Transactions on Magnetics. 1971. Vol. 7, no. 3. P. 654-656.

11. ObermyerT., MerchesM., Miller K., SankarS.G. Structure and magnetic properties of hot pressed Dy3-x/Rx/Al2/ system (R = Gd and Tb) // IEEE Transactions on Magnetics. 1992. Vol. 28, no. 5. P. 2856-2858.

12. SzymczakR., SzymczakH., GorgeB., LemaireR. Low temperature domain structure in Dy3Al2 // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 1986. Vol. 66, no. 1. P. 8-16.

13. LiW., Zhang H., YanT., LongK. W., et al. Successive magnetic transitions and magnetocaloric effect in Dy3Al2 compound // Journal of Alloys and Compounds. 2015. Vol. 651. P. 278-282.

14. Barbara B., Fillion G., Gignoux D., Lemaire R. Magnetic aftereffect associated with narrow domain walls in some rare earth based intermetallic compounds // Solid State Communications. 1972. Vol. 10, no. 12. P. 1149-1151.

15. Zhang H., XuZ.Y., Zheng X. Q., ShenJ., HuF.X., Sun J. R., ShenB. G. Magnetocaloric effects in RNiln (R = Gd-Er) intermetallic compounds // Journal of Applied Physics. 2011. Vol. 109. P. 123926.

16. Zhang Q., ChoJ.H., LiB., HuW. J., Zhang Z. D. Magnetocaloric effect in Ho2In over a wide temperature range // Applied Physics Letters. 2009. Vol. 94. P. 182501.

17. Chen J., ShenB. G., DongQ.Y., SunJ.R. Giant magnetocaloric effect in HoGa compound over a large temperature span. // Solid State Communications. 2010. Vol. 150. P. 157-159.

18. Oesterreicher H., Parker T. F. Magnetic cooling near Curie temperatures above 300 K // Journal of Applied Physics. 1984. Vol. 55. P. 4334-4338.

Поступила в редакцию 09.06.2024.

После переработки 23.08.2024-

Сведения об авторах

Утарбекова Марина Валерьевна, заместитель декана по воспитательной работе физического факультета, Челябинский государственный университет, Челябинск, Россия; e-mail: shchichko.marina.csu@gmail.com.

Оршулевич Мария Алексеевна, аспирант кафедры физики конденсированного состояния, Челябинский государственный университет, Челябинск, Россия; e-mail: mariya-fks@mail.ru.

Батаев Дмитрий Сергеевич, советник при ректорате, Челябинский государственный университет, Челябинск, Россия; e-mail: dimabataev@bk.ru.

Фазлитдинова Альфия Габдиловна, кандидат физико-математических наук, доцент, доцент кафедры физики конденсированного состояния, Челябинский государственный университет, Челябинск, Россия; e-mail: fazlitdinovaag@mail.ru.

Таскаев Сергей Валерьевич, доктор физико-математических наук, доцент, профессор кафедры физики конденсированного состояния, Челябинский государственный университет, Челябинск, Россия; e-mail: s.v.taskaev@gmail.com.

Chelyabinsk Physical and Mathematical Journal. 2024■ Vol. 9, iss. 3. P. 501-513.

DOI: 10.47475/2500-0101-2024-9-3-501-513

MAGNITOCALORIC EFFECT IN R3Al2 (R = Gd, Tb, Dy, Ho) ALLOYS

M.V. Utarbekova", M.A. Orshulevich, D.S. Bataev, A.G. Fazlitdinova, S.V. Taskaev

Chelyabinsk State University, Chelyabinsk, Russia " shchichko.marina.csu@gmail.com

Experimental studies of magnetic and magnetocaloric properties of polycrystalline alloys Gd3Al2, Tb3Al2, Dy3Al2, Ho3Al2 in external magnetic fields up to 3 Tesla have been carried out, and the change of the magnetic part of entropy in high magnetic fields generated by superconducting magnetic systems has been calculated. Magnetic measurements have shown that these compounds have low coercivity and reach saturation in low fields. It is found that the magnetocaloric effect in the studied compounds is observed in a wide temperature range, and for the intermetallides Gd3Al2, Tb33Al2, Dy3Al2, Ho3Al2 has several existence regions comparable in the magnitude of the effect. The presence of several intervals of FEM existence is conditioned by a series of magnetic phase transitions in these ferrimagnetic compounds.

Keywords: magnetocaloric effect, magnetic cooling, natural gas liquefaction, rare-earth metals and alloys.

References

1. LiuW., BykovE., Taskaev S., et al. A study on rare-earth Laves phases for magnetocaloric liquefaction of hydrogen. Applied Materials Today, 2022, vol. 29, p. 101624.

2. Buschow K.H.J. Rare earth-aluminium intermetallic compounds of the form RAl and R3Al2. Journal of the Less-Common Metals, 1965, vol.8, no.3, pp. 209-212.

3. Barbara B., BecleC., LemaireR., Pauthenet R. Magnetic properties of some rare earth-aluminum alloys. Journal of Applied Physics, 1968, vol. 39, no. 2, pp. 1084-1085.

4. Pecharsky V., Gschneidner K., Dan'kov S.Y., Tishin A. Magnetocaloric properties of Gd3Al2. Cryocoolers, 2002, vol. 10, pp. 639-645.

5. HuY., YaoJ., KnotkoA.V., Yapaskurt V.O., MorozkinA.V. Magnetic ordering and magnetocaloric effect of GdAl2Si2, Gd3Al2 and Gd3Alo.sGai.2. Available at: https://ssrn.com/abstract=4489968 10.11.2023.

6. WangD.-H., YinJ.-H., TangS.-L., et al. Study on the magnetocaloric of alloy Gd3Al2-xGax. Acta Physica Sinica, 1999, vol. 48, no. 13, pp. 116-120.

7. GaoL., Wang P., LiuC., Cheng J., ZhongX., GuoF., WanF., LiZ. Microstructure, magnetism and magnetocaloric effect of Gd3NiAl2-alloys. Physica B. Condensed Matter, 2023, vol. 649, no. 6, p. 414415.

8. HuZ., LiH.Y., JingY.L., ZheW., et al. Magnetic properties and magnetocaloric effect in Tb3Al2 compound. Journal of Alloys and Compounds, 2014, vol. 615, pp. 406409.

9. Buschow K.H.J. The magnetic properties of the compound Dy3Al2. Physics Letters, 1969, vol. 29A, pp. 12-13.

The authors express their gratitude to the Russian Foundation for Basic Research for its support within the framework of the 20-42-740004 project. The work was carried out with the financial support of the State Task 0137-2019-0017.

10. BarbaraB., BecleC., LemaireR., PaccardD. High-performance magnets of rare-earth intermetallics due to an unusual magnetization process. IEEE Transactions on Magnetics, 1971, vol. 7, no. 3, pp. 654-656.

11. ObermyerT., MerchesM., Miller K., SankarS.G. Structure and magnetic properties of hot pressed Dy3-x/Rx/Al2/ system (R = Gd and Tb). IEEE Transactions on Magnetics, 1992, vol. 28, no. 5, pp. 2856-2858.

12. SzymczakR., SzymczakH., GorgeB., LemaireR. Low temperature domain structure in Dy3Al2. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 1986, vol. 66, no. 1, pp. 8-16.

13. LiW., Zhang H., YanT., LongK.W., et al. Successive magnetic transitions and magnetocaloric effect in Dy3Al2 compound. Journal of Alloys and Compounds, 2015, vol. 651, pp. 278-282.

14. BarbaraB., FillionG., GignouxD., LemaireR. Magnetic aftereffect associated with narrow domain walls in some rare earth based intermetallic compounds. Solid State Communications 1972. Vol. 10, no. 12. P. 1149-1151.

15. ZhangH., XuZ.Y., ZhengX.Q., ShenJ., HuF.X., SunJ.R., ShenB.G. Magnetocaloric effects in RNiln (R = Gd-Er) intermetallic compounds. Journal of Applied Physics, 2011, vol. 109, p. 123926.

16. Zhang Q., ChoJ.H., LiB., HuW.J., Zhang Z.D. Magnetocaloric effect in Ho2In over a wide temperature range. Applied Physics Letters, 2009, vol. 94, p. 182501.

17. Chen J., ShenB.G., DongQ.Y., SunJ.R. Giant magnetocaloric effect in HoGa compound over a large temperature span. Solid State Communications, 2010, vol. 150, pp. 157-159.

18. Oesterreicher H., Parker T.F. Magnetic cooling near Curie temperatures above 300 K. Journal of Applied Physics, 1984, vol. 55, pp. 4334-4338.

Article received 09.06.2024.

Corrections received 23.08.2024.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.