طرق تجريبية لElastocaloric عمليات التبريد التحقيق في ذاكرة الشكل وبناء ونموذج التحقق من صحة

Summary

Experimental methods for investigation of solid state cooling processes and characterization of elastocaloric material properties of Shape Memory Alloys (SMA) are presented. A custom-built test rig has been designed for controlling and comprehensive monitoring of elastocaloric cooling processes. Furthermore, it provides a validation platform for thermomechanically coupled modeling approaches.

Abstract

شكل الذاكرة سبائك (SMA) باستخدام عمليات التبريد elastocaloric لديها القدرة على أن يكون بديلا الصديقة للبيئة في عملية التبريد على أساس التقليدية ضغط بخار. أنظمة سبائك النيكل والتيتانيوم (ني تي) على أساس، وخاصة، تظهر آثار elastocaloric كبيرة. وعلاوة على ذلك، تظهر حرارة كامنة كبيرة وهو خاصية المواد اللازمة لتطوير عملية التبريد على أساس الكفاءة الحالة الصلبة. وقد تم تصميم منصة الاختبار العلمي للتحقيق في هذه العمليات والآثار elastocaloric في SMAS. جهاز الاختبار أدركت يتيح مراقبة مستقلة التحميل والتفريغ دورات الميكانيكية وSMA، وكذلك موصل نقل الحرارة بين عناصر التبريد SMA ومصدر الحرارة / المصارف. وقد تم تجهيز منصة الاختبار مع نظام مراقبة شامل قادر على قياسات متزامنة من المعلمات الميكانيكية والحرارية. بالإضافة إلى تحديد آلية عملها التي تعتمد على عملية، يتيح النظام أيضا measuremenطن من جوانب السعرات الحرارية الحرارية للتأثير التبريد elastocaloric من خلال استخدام كاميرا الأشعة تحت الحمراء عالية الأداء. هذه المجموعة غير ذات أهمية خاصة، لأنها تسمح الرسوم التوضيحية للتوطين ومعدل الآثار - على حد سواء مهمة لكفاءة نقل الحرارة من متوسطة إلى أن تبرد.

ويصف العمل المقدم طريقة تجريبية لتحديد خصائص المواد elastocaloric في مختلف المواد وهندستها عينة. وعلاوة على ذلك، يتم استخدام جهاز الاختبار للتحقيق في مختلف الاختلافات عملية التبريد. تمكن أساليب التحليل قدم نظر متباينة من المواد، وعملية وذات الصلة التأثيرات حالة الحدود على كفاءة عملية. المقارنة بين البيانات التجريبية مع نتائج المحاكاة (نموذج العنصر المحدود إلى جانب thermomechanically) تسمح لفهم أفضل للفيزياء الكامنة وراء التأثير elastocaloric. وبالإضافة إلى ذلك، فإن النتائج التجريبية، فضلا عن النتائج باالحوار الاقتصادي الاستراتيجي على نتائج المحاكاة، وتستخدم لتحسين خواص المواد.

Introduction

عمليات التبريد الحالة الصلبة القائمة على المواد ferroic لديها القدرة على أن تكون بدائل صديقة للبيئة لعملية ضغط على أساس بخار التقليدية. المواد Ferroic قد يحمل على magnetocaloric، electrocaloric وelastocaloric آثار ^{1، 2،} فضلا عن مجموعات من هذه الآثار، والتي توصف بأنها سلوك المواد multicaloric ^3. ويجري حاليا التحقيق في الآثار من السعرات الحرارية المختلفة في المواد ferroic كجزء من برنامج الأولوية المؤسسة الألمانية للعلوم (DFG) SPP 1599 "آثار السعرات الحرارية في المواد Ferroic: مفاهيم جديدة لالتبريد" ^(4). شكل الذاكرة سبائك (SMA) التي يتم التحقيق في هذا البرنامج تظهر آثار elastocaloric كبيرة، ولا سيما السبائك على أساس ني تي بسبب حرارة كامنة كبيرة على ^5. مرحلة التحول الناجم عن الضغط على معدلات سلالة عالية يؤدي لتغيرات درجة الحرارة كبيرة من SMA، كما هو مبين في الشكل 1. لثابت الحرارة، طارد للحرارة مرحلة التحول من الأوستينيت إلى مارتنسيت يزيد من درجة حرارة SMA. التحول ماص للحرارة من مارتنسيت إلى الأوستينيت يؤدي إلى انخفاض كبير في درجات الحرارة. هذه الخصائص المادية elastocaloric يمكن أن تستخدم في الحالة الصلبة عمليات التبريد عن طريق تطبيق التحميل والتفريغ الميكانيكية دورة مناسبة. ويبين الشكل 2 دورة التبريد elastocaloric نموذجية، في أعقاب دورة برايتون. نقل الحرارة بين مصدر الحرارة والبرد، تفريغ SMA تتم في درجات الحرارة المنخفضة. في المرحلة المقبلة، المتوسط ​​المتحرك في دولة خالية من الاتصال وسريع، تحميل ثابت الحرارة يؤدي إلى زيادة درجة حرارة كبيرة من SMA. نقل الحرارة لاحق بين المتوسط ​​المتحرك الساخن والحرارة بالوعة تجري في سلالة المستمر للSMA. عند الانتهاء من نقل الحرارة وسريعة والتفريغ ثابت الحرارة يؤدي إلى انخفاض درجة الحرارة كبير من المتوسط ​​المتحرك تحت درجة حرارة من مصدر الحرارة، وعندها التبريد المقبلة جycle ونقل الحرارة مع مصدر الحرارة يمكن أن تبدأ. كفاءة عملية التبريد elastocaloric تعتمد على الأعمال الميكانيكية المطلوبة والحرارة الممتصة.

أولا، تم إجراء تجارب مراقبة مجال درجات الحرارة خلال اختبارات الشد التي كتبها شو وآخرون. ^{6، 7،} بهدف تحقيق في تشكيل قمم درجة الحرارة المحلية خلال اختبارات الشد شرائط SMA وأسلاك بمعدلات مختلفة. المنهج التجريبي تطبيقها مجتمعة قياس المعلمات الميكانيكية (الإجهاد، والتوتر ومعدل الضغط) مع اكتساب وقت واحد من المجالات درجة الحرارة عن طريق القياسات الحراري. أثناء التحميل والتفريغ من عينة SMA مع آلة اختبار الشد، الأشعة تحت الحمراء وتستخدم (الأشعة تحت الحمراء) وكاميرا للحصول على الصور الأشعة تحت الحمراء من العينة SMA. هذه التقنية تمكن من تحقيق معدل سلالة تشكيل يعتمد من قمم درجة الحرارة. قياس توزيع الحرارة علىعينة مهمة جدا للتحقيق في الآثار elastocaloric وتحديد خصائص التبريد للمادة. وقياس درجة الحرارة المحلية - من خلال تطبيق الاتصال قياس درجة الحرارة - لا يكفي لوصف خصائص التبريد للمادة. تم استخدام قياس الحقل درجة الحرارة أيضا تسوى وآخرون. ⁸ لدراسة آثار elastocaloric في الأسلاك ني تي. وعلاوة على ذلك، Ossmer وآخرون. ^{9، 10} أظهرت أن قياسات درجات الحرارة الحراري هي أيضا مناسبة للتحقيق في الآثار elastocaloric في ني تي أساس الأغشية الرقيقة، الأمر الذي يتطلب معدلات الإطار عالية للكاميرا الأشعة تحت الحمراء للتحقيق في التحولات المرحلة ثابت الحرارة في سلالة عالية معدلات. هذا الأسلوب يسمح للتحقيق في كميات elastocaloric وتجانس البيانات الشخصية درجة الحرارة، والتي لها تأثير كبير على أساس الحالة الصلبة نقل الحرارة وكفاءة العمليات elastocaloric.

كفاءة التبريد من المواد التي يمكن أن تحدد عن طريق حساب العمل المطلوب استنادا إلى قياسات الضغط / التوتر، فضلا عن الحرارة (والذي يمكن تحديده مع مراعاة التغير في درجة الحرارة والسعة الحرارية للمادة). ومع ذلك، فإن المنهج التجريبي لا يمكن التحقيق من المواد elastocaloric تحت ظروف العملية. ويشمل ذلك نقل الحرارة بين المتوسط ​​الحسابي ومصدر الحرارة، والتي لها تأثير كبير على كفاءة عملية التبريد.

توصيف مادة التبريد الظروف العملية والتحقيق في عمليات التبريد elastocaloric يتطلب جهاز اختبار للتمكن من نقل الحرارة على أساس الحالة الصلبة، والتي لا يمكن التحقيق فيها من قبل أي نظام تجاري القائمة. ولهذه الغاية، تم وضع منصة اختبار جديدة. تم تعيين جهاز الاختبار حتى في مستويين كما هو موضح في الشكل (3). وuppeيسمح مستوى ص لتوصيف المواد elastocaloric الأساسي وإجراءات التدريب الأولية، على غرار الطريقة الموصوفة سابقا (انظر الشكل 4). وقد تم تجهيز الإعداد مع محرك المباشر الخطي قادرة على تحميل وتفريغ SMA بأسعار سلالة تصل إلى 1 ثانية ^-1 (انظر الشكل 5). محرك المباشر الخطي تمكن التحقيق من العينات مع المقطع العرضي لمدة تصل إلى 1.8 ملم ^2، في حين أن طول عينة نموذجية هو 90 ملم. والاستفادة من محرك المباشر الخطية هي سرعة عالية وعالية تسارع - على النقيض من محركات الكرة اللولبية التي تستخدم عادة للاختبارات الشد. وعلاوة على ذلك، خلية الحمل، فضلا عن نظام قياس موقف متكامل من محرك الخطي، وتقدم بيانات القياس الميكانيكية. ويستخدم كاميرا الأشعة تحت الحمراء عالية الدقة (1280 X 1024 بكسل) لقياس الشخصية درجة حرارة SMA مع ما يصل إلى 400 هرتز (في نطاق درجات الحرارة المطلوبة). استخدام عدسة المجهر مع الدقةolution من 15 ميكرون / بكسل يمكن التحقيق من آثار درجة الحرارة المحلية. انخفاض مستوى جهاز الاختبار يحتوي على آلية تسمح بالتناوب نقل الحرارة بالتوصيل بين المتوسط ​​الحسابي والحرارة بالوعة المصدر / الحرارة (انظر شكل رقم 6 و 7). محرك المباشر الخطي في مستوى أدنى التبديل بين مصدر الحرارة إلى المتوسط ​​الحسابي ومن المتوسط ​​المتحرك لامتصاص الحرارة، في حين أن المصاعد اسطوانة هواء مضغوط ويقلل من مصدر الحرارة / بالوعة (انظر الشكل 8). كل المحرك يمكن التحكم بشكل مستقل والسماح للتحقيق في مختلف الاختلافات عملية التبريد. نظام قياس شامل يتيح قياس المعلمات الميكانيكية: موقف المحرك، سرعة المحرك، SMA تحميل قوة، قوة الاتصال بين المتوسط ​​المتحرك ومصدر الحرارة / المصارف خلال نقل الحرارة وكذلك المعلمات الحرارية (أي درجات الحرارة داخل مصدر الحرارة / بالوعة، وتوزيع درجات الحرارة على سطح SMA ومصدر الحرارة / الخطيئةك). ويرد وصف أكثر تفصيلا لمنصة الاختبار العلمي في شميت وآخرون. ^11.

الرقم 5. مخطط الطابق العلوي من منصة اختبار محرك المباشر خطي لتحميل وتفريغ العينة SMA مع نظام قياس موقف متكامل؛ خلية الحمل لقياس قوى الشد، وكذلك كاميرا الأشعة تحت الحمراء عالية الدقة (1280 X 1024 بكسل) لعمليات استحواذ الشخصي درجات الحرارة.

الرقم 7. مخطط الطابق السفلي من جهاز الاختبار محرك المباشر الخطي للتبديل بين المشتت الحراري ومصدر الحرارة؛ اسطوانة الهوائية لاجراء اتصالات بين العينة SMA ومصدر الحرارة / المصارف. وقد تم دمج أجهزة استشعار درجة الحرارة في بالوعة الحرارة / سوRCE لقياس درجة الحرارة الأساسية للبنات. خلية الحمل ضغط لقياس قوة الاتصال بين المتوسط ​​الحسابي ومصدر الحرارة / تم دمج المصارف في آلية نقل الحرارة وغير مرئية في هذا المخطط.

جهاز الاختبار يسمح للتحقيق في تركيبات مختلفة سبائك والأحجام عينه فضلا هندستها (أشرطة، والأسلاك). وعلاوة على ذلك، فإن الإعداد تمكن تحقيقات شاملة من المواد elastocaloric وعمليات التبريد. التجارب التي سبق وصفها لا يمكن أن يؤديها وسيتم وصف التنفيذ خطوة بخطوة في قسم البروتوكول من هذه المخطوطة.

مواد الاستقرار:

سلوك المواد مستقر مهم لاستخدام المواد elastocaloric في أنظمة التبريد. تحقيقا لهذه الغاية، يتم تطبيق إجراء تحقيق الاستقرار الميكانيكي. خلال هذا الإجراء المواد يمر الميكانيكية التحميل والتفريغ دورات وينفذ المرحلةالتحول من الأوستينيت إلى مارتنسيت. يظهر الاستقرار المادي تبعية معدل قوية. معدلات التحميل العالية تؤدي إلى التغير في درجة الحرارة من المواد، والذي كان سببه الحرارة الكامنة من مرحلة التحول. هذا التغير في درجة الحرارة له تأثير مماثل على الاستقرار المادي، كما تفعل الدورات التدريبية الميكانيكية في درجات حرارة مختلفة ^12-15. بالإضافة إلى الميكانيكي ¹³ والسعرات الحرارية ¹⁶ استقرار معروفة، استقرار المواد الحرارية ويمكن ملاحظة مع الإعداد صممه تطبيق الحراري ^17.

توصيف المواد:

بعد إجراء التدريب الميكانيكي الأولي، والمواد معارض السلوك الميكانيكي، الحراري والسعرات الحرارية مستقر يسمح خصائص المواد elastocaloric إلى أن توصف. لذلك، يتم تنفيذ الدراجات الميكانيكية بمعدلات مختلفة في حين، على النقيض من إجراء التدريب، وelastocويشمل توصيف aloric مرحلة عقد بعد التحميل والتفريغ. لمدة مرحلة عقد يتم الاحتفاظ سلالة SMA مستمر حتى يتم التوصل إلى مستوى درجة الحرارة المحيطة مرة أخرى. مطلوب هذا النوع من التجارب من أجل تحديد أدنى درجة حرارة يمكن تحقيقها بعد التفريغ، بدءا من مستويات درجة الحرارة المحيطة، فضلا عن الكفاءة المادية. معدل تشكيل يعتمد من قمم درجة الحرارة المحلية ويمكن ملاحظة، مع معدلات أعلى مما يؤدي إلى توزيع درجة الحرارة متجانسة بشكل متزايد. وعلاوة على ذلك، من خلال زيادة معدل الضغط يزيد من التغير في درجة الحرارة بالتساوي حتى تتحقق الظروف ثابت الحرارة. كفاءة المادية يمكن تحديده من خلال حساب العمل المطلوب الميكانيكية، بناء على الرسم البياني قوة الإزاحة من تجربة ثابت الحرارة، فضلا عن الحرارة للامتصاص، بناء على التغير في درجة الحرارة يعني من المواد خلال التفريغ والسعة الحرارية للعينة .

Elastocعملية التبريد aloric:

التحقيق في كفاءة التبريد من SMAS في ظل ظروف العملية تتطلب نقل الحرارة بين المتوسطة SMA التبريد ومصدر الحرارة، فضلا عن امتصاص الحرارة. لهذا الغرض، والمتوسط ​​المتحرك على اتصال مع مصدر الحالة الصلبة الحرارة (بعد التفريغ ثابت الحرارة)، وبالوعة الحرارة (بعد تحميل ثابت الحرارة). كفاءة عملية تعتمد بقوة على التحكم في العملية وشروط الحدود الحرارية. التحقيق الشامل لعملية التبريد يتطلب تنوع من المعلمات السيطرة من أجل تحديد التحكم في العمليات الأكثر فعالية. تأثير الفرد من المعلمات (وقت الاتصال، SMA سلالة، SMA معدل الضغط، مرحلة الاتصال (الاتصال أثناء تحميل / تفريغ مرحلة أو التالية) وقوة الاتصال) على أداء العملية لابد من التحقيق فيها. وعلاوة على ذلك، فإن تأثير الشرط الحدود الحرارية المتغيرة من خلال زيادة عدد دورات التبريد لديها لأن تؤخذ بعين الاعتبار.

التحقق من صحة نموذج:

تطوير نموذج المواد إلى جانب thermomechanically، قادرة على إعادة إنتاج سلوك المواد الميكانيكية والحرارية خلال تبريد دورة، أمر بالغ الأهمية لتطوير تقنية تبريد جديدة. نموذج يسمح للمواد وتحسين العمليات التي خفضت جهود التنمية التجريبية والمادية. المصادقة يتطلب اختبار الشد متساوي الأولي من مادة استقرت لتوليد البيانات المدخلة المواد الميكانيكية المطلوبة (معامل المرونة من الأوستينيت والمرحلة مارتنسيت، وعرض من التباطؤ الميكانيكية وكذلك سلالة التحول). المصادقة على نموذج يتم على أساس اختبارات الشد بمعدلات مختلفة. إدخال البيانات من السعرات الحرارية المطلوبة للنموذج يمكن تحديد الكالوري المسح التفاضلي (DSC) بعد التجارب الميكانيكية. القياسات DSC يجب أن تؤديها بالعربيةثالثا الاختبار الميكانيكي من أجل قياس خصائص المواد السعرات الحرارية لعينة استقرت.

Protocol

التحضير 1. عينة

1. قياس الشريط SMA مع الفرجار وتحديد المقطع العرضي للعينة.
2. تحضير العينة لقياس الأشعة تحت الحمراء بواسطة طلاء الشريط مع طبقة رقيقة من الابتعاثية عالية (ε = 0.96) الطلاء.
   تحذير: يتم تصنيف الطلاء كما مصدرا للإزعاج. قفازات، نظارات السلامة وحماية الفم يجب أن ترتديه أثناء معالجة الطلاء.

2. المواد لتحقيق الاستقرار (التدريب)

ملاحظة: ركوب الدراجات الميكانيكية الأولية يؤدي إلى استقرار المواد الميكانيكية والحرارية. التحقيق في الواقع لتحقيق الاستقرار، وإجراء التدريب في حد ذاته، يتطلب استخدام المحرك وأجهزة استشعار مثبتة في الطابق العلوي من جهاز الاختبار وكذلك كاميرا الأشعة تحت الحمراء.

1. بدء برنامج تحكم المحرك والتحقق من إعدادات تحميل. تغيير الإعدادات لوضع موقف ووضع الأوامر. تحقق من المحرك في وضع نشط.
2. Sوآخرون موقف المستهدفة في برنامج تحكم المحرك 0 ميكرون وانقر على "عملية تمكين" زر - في هذا الموقف المسافة بين المشابك هي 90 ملم.
3. ضع العينة بين المشابك من الإعداد التجريبية واستخدام أداة محاذاة خاصة مصممة لتحقيق المواءمة بين العينة.
4. تشديد المشابك باستخدام المساعدات المتزايدة من أجل تجنب الانحناء الحمل على تحميل خلية وعينة. استخدام وجع عزم الدوران لتشديد الخناق على ضمان وجود قوة لقط استنساخه (تشديد عزم الدوران: 20 نيوتن متر).
5. التحقق من موقف السيارات الحالي، وتأكد من أن المحرك هو في موضع بداية (0 ميكرون).
6. بدء برنامج كاميرا الأشعة تحت الحمراء وتحميل المعايرة للعدسة 50 ملم جنبا إلى جنب مع عدسة عن قرب. اختر حجم الصورة 1280 × 100 بكسل ودرجة حرارة تتراوح من -20 درجة مئوية إلى 50 درجة مئوية. ضع الكاميرا باستخدام وحدة التركيز السيارات والتأكد من عينة كاملة في مجال الرؤية للكاميرا.
   ملاحظة: كاميرا الأشعة تحت الحمراء، في combinaنشوئها مع نظام عدسة المختار، لديه البعد البؤري (و) من 50 ملم، وجود فتحة F / 2 والحد الأدنى من حجم بكسل من 60 ميكرون على مسافة العمل من 200 ملم.
7. فتح برنامج الرقابة على المواد التدريبية وتوصيف وتعيين المعلمات التحكم (الإزاحة والسرعة، وعقد الوقت، والحد الأقصى والحد الأدنى من القوة، وعدد من الدورات والكاميرا معدل الإطار).
   1. تعيين موضع البدء (0 ميكرون)، واختيار موقف الهدف (4500 ميكرون) بحيث أن المواد تخضع لمرحلة التحول الكامل.
   2. تعيين محرك سرعة مباشرة الخطية (سرعة التحميل / التفريغ) لتلبية معدل الضغط المطلوب. حدد معدل سلالة من 5 × 10 ^-4 ثانية ^-1 (المحرك سرعة 45 ميكرون / ثانية) لتبريد التدريبية المتعلقة العملية.
      1. تحديد محرك الأقراص الخطية سرعة المباشرة (ت) على أساس سعر سلالة المختار ( ) وطول العينة الأولي ل ₍₀₎ 90 ملم (ت = • ول ₀₎
   3. تعيين وقت إجراء إلى 0 ثانية.
   4. تعيين عدد من الدورات إلى 1 في الجولة الأولى مع عينة جديدة.
   5. تعيين الحد الادنى من عينة محددة والحد الأقصى لمستوى القوة لتجنب الحمل الزائد الضغط والشد (الحد الأدنى تحميل 1 ميجا باسكال، الحمولة القصوى 800 ميجا باسكال).
   6. اختيار كاميرا معدل اكتساب الأشعة تحت الحمراء من 50 ميللي ثانية / الإطار (20 لقطة في الثانية الواحدة).
   7. انقر على زر البدء لتحميل الإعدادات.
8. فتح برنامج كاميرا الأشعة تحت الحمراء، واختيار اسم الملف وتخصيص 5000 الإطارات.
   1. التحول من الداخلية إلى مصدر الزناد الخارجي والبدء في وضع الحصول على البيانات.
9. فتح برنامج التحكم واضغط على زر البداية التجربة.
10. تصور البيانات
    1. وبمجرد الانتهاء من التجربة، وتحميل البيانات في برامج معالجة البيانات وتصور ذلك من حيث القوة / التشريد، شارعريس / سلالة، قوة / الساعة والرسوم البيانية موقف / الساعة.
    2. تحميل البيانات الأشعة تحت الحمراء في برنامج كاميرا الأشعة تحت الحمراء وتقييم الوقت حل ملامح درجة الحرارة. تحديد منطقة القياس التي تغطي سطح الشريط SMA ورسم درجات الحرارة القصوى والدنيا متوسط ​​العينة مقابل الوقت.
11. كرر الخطوات من 2،6-2،9 حتى تظهر مادة السلوك الميكانيكي مستقر والتكيف مع الموقف بداية للتعويض عن سلالات المتبقية.
    1. بعد دورات ال 10 الاولى، وزيادة عدد الدورات في التجربة إلى 10 والمضي قدما في التجارب حتى يتم التوصل إلى سلوك المواد مستقر.

3. المواد توصيف

ملاحظة: توصيف المواد يتطلب استخدام المحرك وأجهزة استشعار مثبتة في الطابق العلوي من جهاز الاختبار وكذلك كاميرا الأشعة تحت الحمراء. أثناء إجراء توصيف يتم تحميل العينة وتفريغ بمعدلات مختلفة أثناء أداءفترة عقد بعد التحميل والتفريغ.

1. إذا تم غير مثبت الشريط SMA وتم تبديل نظام التحكم من جهاز الاختبار من بعد التدريب، كرر الخطوات من 2،1-2،6 والمشبك العينة مرة أخرى. إذا لم يكن هذا هو الحال، والمضي قدما على النحو التالي.
2. فتح برنامج الرقابة على المواد التدريبية وتوصيف وتعيين المعلمات التحكم (الإزاحة والسرعة، وعقد الوقت، وعدد من دورات والإطار كاميرا معدل).
   1. تعيين موضع بداية بحيث تكون العينة تحت الصفر الحمل وتعيين ما يعادل موقف الهدف إلى موقف الهدف من التدريب (4500 ميكرون).
   2. تعيين محرك سرعة مباشرة الخطية (سرعة التحميل / التفريغ) لتلبية معدل الضغط المطلوب. اختيار معدل سلالة من 1 × 10 ^{-1 -1} ثانية (سرعة المحرك من 9000 ميكرون / ثانية) الذي يؤدي إلى مرحلة التحول ثابت الحرارة للعينات مع قطاع عريض من 0.75 مم × 1.4 مم أو أكبر.
   3. ضبط الوقت التمسك 180 SEج، وهو ما يكفي لعينة للوصول إلى مستوى درجة الحرارة الأولي.
      ملاحظة: الوقت عقد له ليتم التحقق منها بعد التجربة عن طريق حساب وقت موازنة الحراري المستمر (τ) ووقت عقد أصغر من 4 × τ لابد من زيادة قبل بدء التجربة توصيف المقبل.
   4. تعيين عدد من الدورات إلى 1.
   5. تعيين الحد الادنى من عينة محددة والحد الأقصى لمستوى القوة لتجنب الحمل الزائد الضغط والشد (الحد الأدنى تحميل 1 ميجا باسكال، الحمولة القصوى 800 ميجا باسكال).
   6. اختيار كاميرا معدل اكتساب الأشعة تحت الحمراء من 5 ميللي ثانية / الإطار (200 لقطة في الثانية الواحدة).
   7. انقر على زر البدء لتحميل الإعدادات.
3. فتح برنامج كاميرا الأشعة تحت الحمراء، واختيار اسم الملف وتخصيص 80،000 الإطارات.
   1. التحول من الداخلية إلى مصدر الزناد الخارجي والبدء في وضع الحصول على البيانات.
4. فتح برنامج التحكم واضغط على زر البداية التجربة.
5. تحميل البيانات الأشعة تحت الحمراء فيبرنامج كاميرا الأشعة تحت الحمراء. مؤامرة تعني الحد الأقصى والحد الأدنى من عينة درجات الحرارة مقابل الوقت. تصدير البيانات وحساب الوقت موازنة الحراري مستمر مع برنامج معالجة البيانات ^10،11.
6. التكيف مع الوقت عقد، إذا لزم الأمر، على أساس احتساب موازنة الحرارية وقت ثابت.
7. كرر الخطوات من 3،2-3،5 وتختلف نسبة سلالة من 5 × 10 ^-5 ثانية ^-1 إلى 1 × 10 ^{-1 -1} ثانية، فضلا عن سلالة من 2٪ إلى سلالة أقصى 5٪ (بحد أقصى إجهاد ما يعادل الحد الأقصى للإجهاد أثناء التدريب).
8. التحقيق في قمم درجة الحرارة المحلية:
   ملاحظة: تظهر مادة لها تأثير توطين تعتمد على معدل تأثير elastocaloric. دراسة متأنية لهذه الآثار يتطلب قرارا خاصا عالية من التعريف درجة الحرارة SMA. لهذا الغرض، عدسة كاميرا الأشعة تحت الحمراء لابد من استبدالها بواسطة عدسة المجهر. عدسة المجهر لها فتحة من 3.0 التكبير من 1X وحجم بكسل من 15ميكرون على مسافة العمل من 195 ملم.
   1. التبديل ضوء قبالة، وإزالة جميع مصادر الحرارة من مجال الرؤية للكاميرا الأشعة تحت الحمراء وتغيير العدسة.
   2. تغيير إعدادات الكاميرا المعايرة وتحميل معايرة عدسة المجهر ضمن درجات حرارة تتراوح بين 20 درجة مئوية إلى 50 درجة مئوية، وحجم الصورة 500 × 250 بكسل. استخدام وحدة التركيز السيارات للتركيز العينة.
   3. إجراء اختبار الشد بمعدل سلالة من 1 × 10 ^-1 ثانية ^-1 (9000 ميكرون / ثانية)، اتبع الخطوات الموضحة في قسم 2: مواد الاستقرار.
9. التصور البيانات
   1. تحميل البيانات الميكانيكية في برامج معالجة البيانات وتصور ذلك من حيث القوة / التشريد، والإجهاد / سلالة، قوة / الساعة والرسوم البيانية موقف / الساعة.
   2. تحميل البيانات الأشعة تحت الحمراء في برنامج كاميرا الأشعة تحت الحمراء وتقييم الوقت حل ملامح درجة الحرارة. تحديد منطقة القياس التي تغطي سطح الشريط SMA ورسم متوسط ​​كحد أقصىimum ودرجة الحرارة لا تقل عن العينة مقابل الوقت.

4. Elastocaloric عملية التبريد

ملاحظة: التحقيق في عمليات التبريد elastocaloric يتطلب استخدام المحركات وأجهزة الاستشعار في الطابق العلوي والسفلي من الإعداد وكذلك كاميرا الأشعة تحت الحمراء. وتشمل هذه التجارب الاختلاف من المعلمات السيطرة من أجل تحسين أداء العملية.

1. إذا تم غير مثبت الشريط SMA، وقد تحولت جهاز الاختبار من بعد توصيف المواد، كرر الخطوات من 2،1-2،5 والمشبك العينة مرة أخرى. إذا لم يكن هذا هو الحال، والمضي قدما على النحو التالي.
2. بدء برنامج كاميرا الأشعة تحت الحمراء وتحميل المعايرة للعدسة 50 ملم مع عدسة عن قرب. اختر حجم الصورة من 1280 س 1024 بكسل ودرجة حرارة تتراوح من -20 درجة مئوية إلى 50 درجة مئوية. ضع الكاميرا باستخدام وحدة التركيز السيارات والتأكد من أن العينة كلها في مجال الرؤية للكاميرا.
   ملاحظة: كاميرا الأشعة تحت الحمراء في تركيبة مع نظام عدسة اختار لها طول بؤري (و) من 50 ملم، وجود فتحة F / 2 والحد الأدنى من حجم بكسل من 60 ميكرون على مسافة العمل من 200 ملم.
3. فتح برنامج مراقبة لعمليات التبريد elastocaloric وتعيين المعلمات التحكم (النزوح من محرك الخطي المباشر واحد (الطابق العلوي)، سرعة محرك الخطي المباشر واحد واثنين، وقت الاتصال، القوة القصوى والدنيا، مرحلة الاتصال، وعدد من الدورات والكاميرا معدل الاطار).
   1. تعيين موضع بدء حملة المباشر خطي لSMA التحميل والتفريغ، بحيث تكون العينة تحت الصفر الحمل وتعيين ما يعادل موقف الهدف إلى موقف الهدف من التدريب (4500 ميكرون).
   2. ضبط السرعة (سرعة التحميل / التفريغ) من محرك المباشر خطي لتحميل وتفريغ المتوسط ​​المتحرك لتلبية معدل سلالة من 1 × 10 ^-1 ثانية ^-1 (9000 ميكرون / ثانية). تعيين سرعة محرك الأقراص المباشر الخطي في مستوى أدنى من الإعداد إلى 100ملم / ثانية.
   3. تعيين وقت الاتصال إلى 6 ثانية.
      ملاحظة: إن الوقت يحدد مدة لنقل الحرارة ويمكن وضعها على أي قيمة فوق 10 ميللي ثانية.
   4. اختيار اتصال بعد وضع التحميل / التفريغ.
      ملاحظة: التأثيرات مرحلة الاتصال ما إذا كان التحميل والتفريغ هو ثابت الحرارة (الاتصال بعد التحميل / التفريغ) أو جنبا إلى جنب مع نقل الحرارة إلى بالوعة الحرارة / المصدر (الاتصال أثناء التحميل / التفريغ).
   5. تعيين عدد من الدورات إلى 40.
   6. تعيين الحد الادنى من عينة محددة والحد الأقصى لمستوى القوة لتجنب الحمل الزائد الضغط والشد (الحد الأدنى تحميل 1 ميجا باسكال، الحمولة القصوى 800 ميجا باسكال).
   7. اختيار كاميرا معدل اكتساب الأشعة تحت الحمراء من 20 ميللي ثانية / الإطار (50 لقطة في الثانية الواحدة). انقر على زر البدء لتحميل الإعدادات.
4. فتح برنامج كاميرا الأشعة تحت الحمراء، واختيار اسم الملف وتخصيص 50000 الإطارات. التحول من الداخلية إلى مصدر الزناد الخارجي والبدء في وضع الحصول على البيانات.
5. فتح progr السيطرةأنا واضغط على زر البداية التجربة.
6. تصور البيانات
   1. وبمجرد الانتهاء من تجربة تحميل البيانات في برامج معالجة البيانات وتصور البيانات التالية: القوة / التشريد، والإجهاد / سلالة، ودرجة الحرارة / الوقت (درجة حرارة بالوعة الحرارة / المصدر)، قوة / الوقت، قوة الاتصال / الساعة وموقف من المحركات / الزمن الخطي.
   2. تحميل البيانات الأشعة تحت الحمراء في برنامج كاميرا الأشعة تحت الحمراء وتقييم الوقت حل ملامح درجة الحرارة. تحديد ثلاثة مجالات القياس التي تغطي سطح العينة SMA فضلا عن سطح المشتت الحراري ومصدر الحرارة. تصدير وقت حل البيانات متوسط ​​درجة الحرارة القصوى والدنيا للمناطق قياس محددة وتحميلها في برامج معالجة البيانات.
   3. تصور البيانات الأشعة تحت الحمراء في رسم تخطيطي درجة الحرارة / الوقت.
7. تكرار التجربة في ظل تنوع من المعلمات: سلالة، وقت الاتصال، ومرحلة الاتصال.

5. نموذج التحقق من صحة

ملاحظة: التحقق من نماذج المواد إلى جانب الحرارية ميكانيكيا يتطلب تجارب التمسك الاستقرار المادي أو التوصيف المادي. استخدام الأسلاك ني تي مع شريحة من 0.6 مم إلى إجراء التحقيقات التجريبية.

1. إجراء اختبار الشد متساوي الحرارة بمعدل سلالة من 5 × 10 ^{-5 -1} ثانية وسلالة من 5٪، والمضي قدما في طريق تنفيذ الخطوات الموضحة في القسم 2.
2. وبمجرد الانتهاء من التجربة، وتحميل البيانات في برامج معالجة البيانات ووضع تصور لقياس الضغط / التوتر. حساب معامل مرونة من الأوستينيت والمرحلة مارتنسيت، سلالة التحول فضلا عن عرض التباطؤ. وظيفة البيانات المذكورة أعلاه وإدخال البيانات الميكانيكية للنموذج ^7.
3. أداء مزيد من الاختبارات الشد بأسعار سلالة من 1 × 10 ^-4 ثانية ^-1، 5 × 10 ^-4 ثانية ^-1، 1 × 10 ^-3 ثانية ^-1، 5 × 10 ^-3 ثانية ^-1، 1 × 10 ^-2 ثانية ^-1، 5 × 10 ^-2 ثانية ^-1، 1 × 10 ^{-1 -1} ثانية لتوليد التحقق من صحة البيانات للنموذج.
4. إذا تم الانتهاء من التجارب تأخذ عينة من نظام اختبار وأداء لقياس التفاضلية مسح مقياس الكالوري (DSC) ¹⁸ لتحديد خصائص المواد الحرارية (حرارة كامنة في مرحلة التحول والقدرة الحرارة النوعية للمادة) من المادة استقرت.
   ملاحظة: القياسات DSC توفر البيانات المدخلة من السعرات الحرارية لنموذج يقترن الحرارية ميكانيكيا.
5. بدء محاكاة لاختبارات الشد هو موضح في الخطوة 5.3.
   1. تنفيذ نموذج مخصص لسبائك ذاكرة الشكل في برنامج العناصر المحدودة المتاحة تجاريا:
      1. حدد العقدة الهندسة واختيار الفاصل الزمني للرسم الهندسي سلك 1D.
      2. حدد معلمات عقدة لتحديد معالم النموذج التي تم تحديدها من الاختبارات الميكانيكية في الظريفص 5.2.
      3. بزر الماوس الأيمن فوق العقدة التعاريف وتحديد المتغيرات لإنشاء عقدة المتغيرات. تحديد المتغيرات العقدة وتحديد خوارزمية لتحديد احتمالات الانتقال المستمدة من الديناميكا الحرارية الإحصائية ^19.
      4. حدد إضافة الفيزياء وإضافة معامل نموذج المعادلات التفاضلية الجزئية أو العامة نموذج المعادلات التفاضلية الجزئية لتحديد مجموعة من المعادلات التفاضلية الجزئية ذات بعد واحد واصفا سلوك superelastic الشكل الذاكرة ألمنيوم، التي تتألف من التوازن الزخم ثابتة، توازن الطاقة الداخلية والمعادلات الحركية للمرحلة تحول ²⁰ .
   2. تحديد القيم الأولية العقدة الفرعية لضبط درجة الحرارة الأولية من السلك إلى درجة حرارة البيئة.
      1. اختر ديريتشليت الحدود الحالة أن تفرض شروط الحدود الميكانيكية لتطبيق إجهاد بعد إجراء التجارب الموضحة في قسم 2، لمعدلات الإجهاد في الحادي والعشرينالجيش الشعبي 5.3، تحد من النزوح من طرف واحد من الأسلاك وتنص على النزوح من الطرف الآخر.
      2. اختر ديريتشليت الحدود الحالة لتحديد شروط الحدود الحرارية لدرجة حرارة ثابتة بسبب المشابك ضخمة بالمقارنة مع أسلاك رقيقة.
         ملاحظة: لا تؤدي الإعدادات المعيارية لبرنامج العناصر المحددة إلى حل المتقاربة.
      3. حدد العقد من الباطن من تكوين حلالا لتعديل الإعدادات القياسية (على سبيل المثال، التحمل المطلقة والنسبية ومعامل التخميد من غير الخطية، تكرارية نيوتن-رافسون حلالا) وانقر على "حساب" لتشغيل حلالا.
6. تحليل البيانات
   1. تحميل النتائج التجريبية والمحاكاة في برنامج تحليل البيانات وتصور البيانات الميكانيكية والحرارية.
   2. مقارنة نتائج التجارب والمحاكاة، ومنها الميكانيكية (الإجهاد / استجابة سلالة) والحرارية (خاص حلها تطور درجة حرارةعينة) السلوك المادي.

النتائج

استقرار المواد (التدريب):

ويبين الشكل 9 رسم تخطيطي الإجهاد / سلالة من 50 دورة تدريبية. العينة التحقيق هو الشريط ني تي مع قطاع عريض من A = 1.45 مم ^2. معدل سلالة تطبيقها من 1 × 10 ^...

Discussion

اختبار تلاعب العلمي قدمت يتيح تحقيق شامل من المواد elastocaloric وعمليات التبريد عن طريق إجراء التجارب الموضحة في قسم البروتوكول. محاذاة دقيقة من العينة قبل لقط أمر بالغ الأهمية لجميع التجارب. محاذاة السيئة يمكن أن تؤدي إلى فشل المواد في وقت مبكر. وعلاوة على ذلك، تطبيق الح?...

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Linear direct drives	ESR-Pollmeier	ML 1418-U5-W1	SMA loading/unloading; heat transfer
Pneumatic cylinder	Festo	ADNGF-40 574031	Contact between heat source/sink and SMA
Inductive position measurement system	AMO	LMKA-1101.1NN-1.0-0
Tension and compression load cell	Futek	LCF451; FSH02241	SMA force
Compression load cell	Futek	LTH300; FSH00297	Contact force
IR camera	Infra Tec	Image IR 9360; M91129	1,280 x 1,024 pixels; Maximum frame rate 3,200 Hz
Real-Time Controller	National Instruments	NI CompactRIO-9074	Data acquisiton and control system
Camera varnish	Tetenal	105202