Magnetocaloric effect in GdNi2 for cryogenic gas liquefaction studied in magnetic fields up to 50 T

Abstract

Natural gases have played a significant role in different sectors of the global economy. Recent analyses have shown that the world's gas consumption doubled over the last three decades; further growth of the gas consumption is predicted, rising to be 23%–28% of the total primary energy demand by 2030. Therefore, liquefaction of natural gases rapidly gains global importance. In this context, magnetic refrigeration emerges as a modern energy-saving technique, which is an alternative to the traditional gas-compression refrigeration. This paper is devoted to the study of the magnetocaloric effect in magnetic fields up to 10 T on a representative of the Laves phase alloys, GdNi2, which is considered as a perspective material for liquefaction of natural gases. For a magnetic field change of 10 T, the magnetic entropy change ΔSm ≈ −17 J/kg K and the adiabatic temperature change ΔTad ≈ 6.8 K was attained around Curie temperature TC = 70 K. The maximal value of the adiabatic temperature change measured directly in pulsed magnetic fields up to 50 T is ΔTad ≈ 15 K.

Ab initio calculation of the magnetic Gibbs free energy of materials using magnetically constrained supercells

“…( 34)]. However, our Gibbs free energy can also depend on quartic and higher order local moment correlation functions ({U (4) ijkl (ω), . .…”

“…Solid-state magnetic materials form the basis of many current and upcoming technologies, and are thus subject to a field of research that is in continuous development. Some examples are caloric refrigeration [1][2][3] and gas liquefaction [4], permanent magnets in engines and other electronic equipment, and spintronic technology including magnetic field sensors, neuromorphic computing, and different devices for storage and processing of information [5][6][7][8][9][10]. The central component for their functionality is the formation and exploitation of complex magnetic structures, such as topologically protected skyrmions [11,12], antiferromagnetic [13] and helimagnetic [14,15] states, and high coercivity in ferromagnets [16,17] and ferrimagnets [18,19].…”

Гомогенизационный отжиг и магнитные свойства образца фазы Лавеса GdNi-=SUB=-2-=/SUB=-

“…Это значение почти в два раза меньше значения S m для GdNi равное −31.2 J/(kg • K) в поле 14 T при температуре Кюри 80 K [21]. В работе [11] значение S m магнитокалорического эффекта в точке Кюри 70 K для GdNi 2 в магнитом поле 10 T составило −17 J/(kg • K), против −15.8 J/(kg • K) при 75 K в данной работе для отожженного образца. В работе [23] значение S m магнитокалорического эффекта в точке Кюри 75 K для сфер GdNi 2 диаметром 500−850 µm в магнитом поле 5 T составило −3.9 J/(kg • K), против −9.9 J/(kg • K) массивных образцов в данной работе.…”

“…Известны работы, где не описана термообработка после выплавки [9] или применяется выплавка методом индукционного нагрева [10]. Ряд работ описывающих синтез сплавов GdNi 2 не содержат информацию по термообработке гомогенизационным отжигом [11]. В работе [12] сплав GdNi 2 после нескольких переплавок отжигают с целью гомогенизации в течение 360 часов при температуре 1073 K. В работах [13][14][15] в течение 72 часов при температурах 900, 1170 и 1200 K, соответственно, и 96 часов при 1073 K [16].…”

“…) ¦ для литого и a = 7.2131(3) ¦ для отожженного образцов, что хорошо согласуется с литературными данными a = 7.206 ¦[11]. Видно, что после отжига объем элементарной ячейки GdNi 2 увеличился незначительно, примерно на 0.1%.Были проведены микроструктурные исследования сплава GdNi 2 в состояниях после литья и гомогенизационного отжига.…”