ffect of Particle Size on the Magnetic and Magnetocaloric Properties of Gd₅.₀₉Si₁.₈₈Ge₂.₀₃ Compound
Efeito do Tamanho das Partículas nas Propriedades Magnéticas e Magnetocalóricas do Compósito Gd₅,₀₉Si₁,₈₈Ge₂,₀₃
Autores:
- William Imamura
- Flavio Clareth Colman*
- Alisson Cocci de Souza
- Cleber Santiago Alves*
* Pesquisadores NAPI EZC
-
Publicado: 30 de junho de 2025
Abstract
Magnetic refrigeration presents an energy-efficient and environmentally friendly alternative to conventional gas compression refrigeration, mainly driven by the magnetocaloric effect in materials with a first- or second-order phase transition. One of the main obstacles to the development of magnetocaloric refrigerants is the relative difficulty in processing them adequately on a large scale and in suitable geometries. For example, powder metallurgy or a polymer-based composite with magnetocaloric fillers may be a viable alternative to overcome these problems. In this context, this study investigates the influence of particle size on the magnetic and magnetocaloric properties of the Gd5.09Si1.88Ge2.03 compound, with particle sizes of <25 μm, 25–38 μm, and 38–45 μm. For a magnetic field change of 20 kOe, the maximum isothermal entropy change |ΔSTmax| reached 6.3 J kg–1 K–1 for the <25 μm particle size, while the larger sizes (25–38 μm and 38–45 μm) showed |ΔSTmax| values of 7.8 J kg–1 K–1 and 8.1 J kg–1 K–1, respectively. Additionally, the relative cooling power (RCP) reached up to 127 J kg–1 for the particle sizes of 25–38 μm and 38–45 μm, while the particle size of <25 μm resulted in a reduced RCP of 111 J kg–1. A similar trend was observed in the temperature-averaged entropy change (TEC) and maximum refrigerant capacity (RCmax). The results suggest an optimal particle size range >25 μm, beyond which the magnetic and magnetocaloric properties stabilize. These findings are relevant for composite processing techniques, where particle size control is crucial for enhancing the material’s performance.
Resumo
A refrigeração magnética apresenta uma alternativa energeticamente eficiente e ambientalmente amigável à refrigeração convencional por compressão de gás, sendo impulsionada principalmente pelo efeito magnetocalórico em materiais com transição de fase de primeira ou segunda ordem. Um dos principais obstáculos para o desenvolvimento de refrigerantes magnetocalóricos é a relativa dificuldade de processá-los adequadamente em larga escala e em geometrias apropriadas. Por exemplo, a metalurgia do pó ou um compósito à base de polímero com cargas magnetocalóricas pode ser uma alternativa viável para superar esses problemas.
Nesse contexto, este estudo investiga a influência do tamanho das partículas nas propriedades magnéticas e magnetocalóricas do composto Gd₅,₀₉Si₁,₈₈Ge₂,₀₃, com tamanhos de partículas de <25 μm, 25–38 μm e 38–45 μm. Para uma variação de campo magnético de 20 kOe, a variação máxima de entropia isotérmica |ΔSₜₘₐₓ| atingiu 6,3 J kg⁻¹ K⁻¹ para o tamanho de partícula <25 μm, enquanto os tamanhos maiores (25–38 μm e 38–45 μm) apresentaram valores de |ΔSₜₘₐₓ| de 7,8 J kg⁻¹ K⁻¹ e 8,1 J kg⁻¹ K⁻¹, respectivamente.
Além disso, o potencial relativo de refrigeração (RCP) alcançou até 127 J kg⁻¹ para os tamanhos de partículas de 25–38 μm e 38–45 μm, enquanto o tamanho de partícula <25 μm resultou em um RCP reduzido de 111 J kg⁻¹. Tendência semelhante foi observada na variação de entropia média em temperatura (TEC) e na capacidade máxima de refrigeração (RCₘₐₓ).
Os resultados sugerem uma faixa de tamanho de partículas ideal acima de 25 μm, a partir da qual as propriedades magnéticas e magnetocalóricas se estabilizam. Esses achados são relevantes para técnicas de processamento de compósitos, nas quais o controle do tamanho das partículas é crucial para o aprimoramento do desempenho do material.
Essa pesquisa
contribui para as seguintes ODS:
