单斜化合物Gd5Ru2的磁性和磁热性质

Gd5Ru2的磁性及磁制冷性能研究表明，其经历反铁磁转变（TN=55K）和自旋重取向（TSR=40K），通过Maxwell关系计算得最大熵变16.3 J/kg·K，相对冷却功率605 J/kg，适合低温磁制冷应用。

　　

该研究聚焦于稀土合金Gd5Ru2的磁制冷性能及其相变机制。作者通过系统的实验方法，揭示了该材料在低温区依次发生的磁相变及其对磁熵变的影响，为新型磁制冷材料的设计提供了重要参考。研究背景中，作者指出磁制冷技术相较于传统气体制冷具有显著优势，尤其在氢液化等极端温度应用中潜力巨大。此前开发的Gd3Ru材料在氮沸点（77K）附近表现出优异性能，而Gd5Ru2作为同系列新成员，其晶体结构（单斜型Mn5C2型）和电子构型可能带来独特的磁学行为。实验部分采用熔炼-退火工艺制备了Gd5Ru2多晶样品，并通过X射线衍射确认了其单斜晶系结构（晶格参数a=15.964?，b=6.414?，c=7.330?，β=97.08°）。在电导率测量中观察到显著的相变相关电阻突变，特别是在55K和40K附近出现电阻异常变化，这与磁相变事件相吻合。磁化率测试显示材料在0.02T外场下呈现Curie-Weiss行为（ Weiss温度θ=62K，有效磁矩8.45μB/Gd），表明Gd3?离子主导磁有序。值得注意的是，在12-88K范围内测得磁化率-温度曲线，发现52K附近出现反铁磁相变的典型磁滞回线，而40K时则表现出自发磁矩转向的陡峭磁化率变化。热容测量数据揭示了多场耦合效应：在5T外场下，比热在55K附近呈现显著宽峰，经计算得到最大磁熵变ΔSmax=16.3J/(kg·K)，相对冷却功率RCP=605J/kg，这一数值虽低于Gd3Ru的700J/kg，但仍处于稀土材料第一梯队。关键发现包括三个层次：

1. 磁结构相变：在55K发生反铁磁有序向顺磁态的转变，这一相变伴随电阻的陡降（约35%）。更值得注意的是在40K出现的自旋重取向相变，磁化率在0.4T外场下发生非连续跳跃，其陡峭程度在dM/dT曲线上表现为尖锐导数峰。2. 多场耦合效应：在低温区（<55K）观察到显著的场诱导反铁磁有序现象。当磁场从0升至5T时，磁化率在52K附近发生负微分电阻效应，表明存在磁有序-无序的相互转化。3. 热力学特性优化：通过对比发现，尽管Gd5Ru2的ΔSmax略低于Gd3Ru（16.3 vs 30J/(kg·K)），但其RCP（605J/kg）与ErCo（450J/kg）相当，且相变温度分布（55K和40K）更接近实用温度窗口。特别值得注意的是其比热在40K时的异常宽峰（半高宽达37.1K），这为开发宽温域磁制冷系统提供了新思路。材料比较方面，研究构建了包含19种稀土基材料的性能数据库（表1）。Gd5Ru2在磁熵变和冷却功率指标上介于Gd3Ru（700J/kg）和HoCoNi（433J/kg）之间，其优势在于相变温度更接近氢液化需求（沸点20K）。与Gd3Ru相比，虽然最大磁熵变降低，但RCP保持较高水平，且多场耦合效应更显著。微观机制分析表明，Gd3?与Ru的4f-5d电子相互作用形成独特的三重晶格位点（单斜结构包含三个Gd独立位点），这种结构特征可能促使电子跃迁在低温区发生相变协同效应。XRD数据证实退火处理有效改善晶格畸变，但残留的高背景信号提示可能存在未完全溶解的第二相，这或许解释了磁化率曲线在相变区间的异常展宽。应用潜力方面，研究团队提出Gd5Ru2在氢液化中的优化应用路径：通过预冷至77K（液氮法）后，利用磁制冷系统将温度降至20K以下。计算表明，在40-55K区间利用相变储能特性，配合0-5T磁场调节，可实现单位质量600J的冷却功率，显著优于传统Stirling循环系统。研究局限性主要体现于：1）XRD图谱残留背景信号，可能影响相变温度的精确测定；2）样品质量仅3.6mg，难以满足工业应用需求；3）缺乏与类似结构的对比实验，如Gd2Co或Er3Co的协同效应分析。作者建议后续研究应聚焦于纳米晶制备（通过熔融快淬技术）和复合材料的结构优化。该成果为稀土基磁制冷材料开发提供了新方向，特别是针对低温氢液化应用场景。材料中观察到的反铁磁-顺磁相变与自旋重取向双重机制，使得Gd5Ru2在40-55K温区具有连续的磁制冷性能，这可能是其冷却功率优于Gd3Ru的关键因素。研究团队后续计划开展磁制冷循环模拟，评估该材料在磁热机中的实际效率，并探索与超导材料的组合应用。