Méthodes expérimentales pour les enquêtes de la mémoire de forme à base Elastocaloric processus de refroidissement et de validation du modèle

Résumé

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.

Résumé

Forme Memory Alloys (SMA) en utilisant des procédés de refroidissement elastocaloric ont le potentiel d'être une alternative écologique au processus de refroidissement classique de compression de vapeur sur la base. systèmes d'alliage à base de nickel-titane (Ni-Ti), en particulier, présentent d'importants effets elastocaloric. De plus, présentent de grandes chaleurs latentes qui est une propriété de matériau nécessaire pour le développement d'un processus de refroidissement efficace à solide. Un banc d'essai scientifique a été conçu pour étudier ces processus et les effets elastocaloric en AMF. Le banc d'essai réalisé permet un contrôle indépendant des cycles de chargement et de déchargement mécanique d'un SMA, ainsi que le transfert de chaleur par conduction entre les éléments de refroidissement SMA et une source de chaleur / évier. Le banc d'essai est équipé d'un système de surveillance complet capable de mesures synchronisées des paramètres mécaniques et thermiques. En plus de déterminer le travail mécanique dépendant du processus, le système permet également DE MESUREt des aspects thermiques caloriques de l'effet de refroidissement elastocaloric grâce à l'utilisation d'une caméra infrarouge haute performance. Cette combinaison est particulièrement intéressante, car elle permet à des illustrations de localisation et de taux d'effets - à la fois importants pour le transfert de chaleur efficace du milieu à refroidir.

Le travail présenté décrit une méthode expérimentale pour identifier les propriétés des matériaux elastocaloric dans différents matériaux et géométries échantillon. En outre, le banc d'essai est utilisée pour étudier les différentes variations de processus de refroidissement. Les méthodes d'analyse introduites permettent une considération différenciée des matériaux, processus et l'état limite les influences liées à l'efficacité du processus. La comparaison des données expérimentales avec les résultats de simulation (d'un modèle d'éléments finis thermomécanique couplé) permet une meilleure compréhension de la physique sous-jacentes de l'effet elastocaloric. En outre, les résultats expérimentaux, ainsi que les conclusions based sur les résultats de la simulation, sont utilisés pour améliorer les propriétés du matériau.

Introduction

processus de refroidissement à l'état solide à base de matériaux ferroïques ont le potentiel d'être des alternatives respectueuses de l'environnement au procédé conventionnel à base de compression de vapeur. Matériaux ferroïque peuvent présenter des effets magnétocaloriques, électrocalorique et elastocaloric ^{1, 2,} ainsi que des combinaisons de ces effets, qui sont décrits en tant que matériau multicaloric comportement ^3. Les différents effets caloriques dans les matériaux ferroïques sont actuellement à l'étude dans le cadre de la Fondation allemande pour la science (DFG) Programme prioritaire SPP 1599 " d' effets calorifiques sur ferroïque Matériaux: Nouveaux concepts pour le refroidissement" ^4. Forme Memory Alloys (SMA) qui sont d'une enquête au sein de ce programme montrent de grands effets elastocaloric, en particulier des alliages à base de Ni-Ti en raison de leurs grandes chaleurs latentes ^5. La transformation de phase induite par la contrainte aux vitesses de déformation élevées conduit à des variations de température importantes du SMA, comme représenté sur la figure 1. Laadiabatique exothermique transformation de phase de l'austénite en martensite, la température augmente de SMA. La transformation endothermique de martensite en austénite entraîne une diminution significative de la température. Ces propriétés matérielles elastocaloric peuvent être utilisés pour le refroidissement à l' état ​​solide par application d' un processus de chargement et de déchargement du cycle mécanique approprié. La figure 2 montre un cycle de refroidissement elastocaloric typique, à la suite du cycle de Brayton. Le transfert de chaleur entre la source de chaleur et le froid, déchargé SMA ont lieu à des niveaux de basses températures. Dans la phase suivante, le SMA est dans un état sans contact et le jeûne, le chargement adiabatique conduit à une augmentation significative de la température du SMA. Le transfert thermique ultérieur entre le SMA chaud et le dissipateur de chaleur ont lieu à une déformation constante de la SMA. À l'achèvement du transfert de chaleur, rapide, le déchargement adiabatique conduit à une chute de température significative du SMA en dessous de la température de la source de chaleur, après quoi le refroidissement suivant cycle et le transfert de chaleur avec la source de chaleur peut commencer. L'efficacité du processus de refroidissement elastocaloric dépend du travail mécanique nécessaire et la chaleur absorbée.

Tout d' abord, les expériences de contrôle du champ de température au cours des essais de traction ont été effectués par Shaw et al. , ^{6, 7,} dans le but d'étudier la formation de pics de température locale au cours des essais de traction des rubans et des fils SMA à des vitesses différentes. La méthode expérimentale appliquée combinée de la mesure des paramètres mécaniques (stress, contraintes et la vitesse de déformation) avec acquisition simultanée des champs de température au moyen de mesures thermographiques. Pendant le chargement et le déchargement d'un échantillon SMA avec une machine d'essai de traction, une connexion infrarouge (IR) de la caméra a été utilisé pour l'acquisition d'images infrarouges de l'échantillon de SMA. Cette technique permet l'étude de la formation dépend de la vitesse de déformation des pics de température. La mesure de la répartition de la température sur lal'échantillon est très importante pour l'étude des effets elastocaloric et la détermination des propriétés de refroidissement du matériau. Une mesure de la température locale - par application d'une mesure de la température de mise en contact - est pas suffisant pour caractériser les propriétés de refroidissement du matériau. Une mesure du champ de température est également utilisée par Cui et al. , ⁸ pour l'étude des effets elastocaloric dans les fils Ni-Ti. En outre, Ossmer et al. ^{9, 10} a montré que les mesures de température thermographiques sont également appropriés pour l'étude des effets elastocaloric en Ni-Ti à base de couches minces, qui exigeait des cadences élevées de la caméra IR pour l'étude des transformations de phase adiabatique à haute tension les taux. Cette technique permet l'étude des quantités elastocaloric et l'homogénéité du profil de température, ce qui a une influence significative sur le transfert et la chaleur à l'état solide à baseefficacité des processus elastocaloric.

L'efficacité du refroidissement du matériau peut être déterminé en calculant le travail nécessaire sur la base des mesures de contrainte / déformation, ainsi que la chaleur (qui peut être déterminé en tenant compte de la variation de température et de la capacité thermique du matériau). Cependant, la méthode expérimentale ne permet pas l'enquête de la matière elastocaloric dans des conditions de processus. Cela comprend un transfert de chaleur entre l'AMS et une source de chaleur, ce qui a une influence significative sur l'efficacité de l'effet de refroidissement.

La caractérisation des matériaux de refroidissement des conditions de traitement et l'étude des processus de refroidissement elastocaloric nécessitent un banc d'essai permettant le transfert de chaleur à base de l'état solide, qui ne peut être étudiée par tout système commercial existant. A cette fin, une nouvelle plate-forme d'essai a été mis au point. Le banc d'essai est mis en place sur deux niveaux , comme illustré sur la figure 3. La uppeniveau de r permet la caractérisation de base du matériau elastocaloric et les procédures de formation initiale, similaire à la méthode décrite précédemment (voir Figure 4). L'installation est équipée d'un entraînement direct linéaire capable de charger et décharger le SMA à des vitesses de déformation jusqu'à 1 sec ^-1 (voir Figure 5). L'entraînement direct linéaire permet l'investigation d'échantillons avec une section transversale allant jusqu'à 1,8 mm ^2, tandis que la longueur d'échantillon typique est de 90 mm. L'avantage d'un entraînement direct linéaire est la vitesse élevée et la forte accélération - contrairement à billes de vis à qui sont généralement utilisés pour des essais de traction. En outre, une cellule de charge, ainsi que le système de mesure de position intégré de l'entraînement linéaire, fournit des données de mesure mécaniques. Une caméra infrarouge à haute résolution (1280 x 1024 pixels) est utilisé pour mesurer le profil de température de l'AMS avec un maximum de 400 Hz (dans la plage de température requise). L'utilisation d'un objectif de microscope avec une résolutionolution de 15 um / pixel permet l'étude des effets de la température locale. Le niveau inférieur de la plate - forme de test contient un mécanisme qui permet d'alterner le transfert de chaleur par conduction entre le SMA et le puits de source / de chaleur de chaleur (voir les figures 6 et 7). L'entraînement direct linéaire dans le niveau inférieur passe entre la source de chaleur à la SMA et du SMA au dissipateur de chaleur, tandis qu'un vérin pneumatique ascenseurs et abaisse la source de chaleur / puits (voir figure 8). Chaque actionneur peut être contrôlé de façon indépendante permettant d'enquête sur les différentes variations de processus de refroidissement. Le système complet de mesure permet de mesurer des paramètres mécaniques: position de l' actionneur, la vitesse de l' actionneur, la force de chargement SMA, la force de contact entre SMA et de la source de chaleur / puits pendant le transfert de chaleur ainsi que des paramètres thermiques (ie, les températures à l' intérieur de l' évier, la distribution de la source de chaleur / température sur la surface de l'AMS et la source de chaleur / sink). Une description plus détaillée de la plate - forme de tests scientifiques est donnée dans Schmidt et al. , ^11.

Figure 5. Schéma du niveau supérieur de la plate - forme de test Un entraînement linéaire direct pour le chargement et le déchargement de l'échantillon SMA avec le système de mesure de position intégrée. une cellule de charge pour la mesure des forces de traction, ainsi que d'une caméra infrarouge à haute résolution (1280 x 1024 pixels) pour le profil de température acquisitions.

Figure 7. Schéma du niveau inférieur de la plate - forme de test Un entraînement direct linéaire pour la commutation entre les puits de chaleur et la source de chaleur. un vérin pneumatique pour établir un contact entre l'échantillon SMA et la source de chaleur / puits; capteurs de température ont été intégrés dans le dissipateur de chaleur / source pour mesurer la température au coeur des blocs. Une cellule de compression de charge pour mesurer la force de contact entre l'AMS et la source de chaleur / récepteur est intégré dans le mécanisme de transfert de chaleur et non visible sur ce schéma.

Le banc d'essai permet l'étude des différentes compositions d'alliage et la taille des échantillons, ainsi que des géométries (rubans, fils). Outre, la configuration permet des enquêtes approfondies sur les matériaux elastocaloric et processus de refroidissement. Les expériences décrites précédemment peuvent être réalisées et l'exécution seront décrites étape par étape dans la section de protocole de ce manuscrit.

Stabilisation Matériel:

le comportement du matériau stable est importante pour l'utilisation de matériaux elastocaloric dans les systèmes de refroidissement. A cet effet, un procédé de stabilisation mécanique est appliquée. Au cours de cette procédure, le matériau passe des cycles de chargement et de déchargement mécanique et effectue une phasela transformation d'austénite en martensite. La stabilisation matériau présente une dépendance de fort taux. Des taux élevés de charge conduisent à un changement de température du matériau, qui est causée par la chaleur latente de la transformation de phase. Ce changement de température a une influence similaire sur la stabilisation matériel, comme les cycles de formation mécanique à différentes températures ^12-15. En plus de la célèbre mécanique de stabilisation ¹³ et ¹⁶ calories, une stabilisation de la matière thermique peut être observée avec l'installation conçue par l' application thermographie ^17.

Caractérisation des matériaux:

Après une procédure mécanique de formation initiale, le matériau présente un comportement mécanique, thermique et calorique stable permettant aux propriétés du matériau elastocaloric à caractériser. Par conséquent, le vélo mécanique à des vitesses différentes est réalisée alors que, contrairement à la procédure de formation, le elastocla caractérisation aloric comprend une phase de maintien après le chargement et le déchargement. Pendant toute la durée de la phase de maintien de la souche SMA est maintenue constante jusqu'à un niveau de température ambiante est atteinte à nouveau. Ce type d'expérience est nécessaire afin de déterminer la température la plus basse possible après le déchargement, à partir des niveaux de température ambiante, ainsi que l'efficacité des matériaux. formation dépendant du taux de pics de température locale peut être observée, avec des taux plus élevés conduisant à une distribution de température plus homogène. En outre, en augmentant la vitesse de déformation du changement de température augmente également jusqu'à ce que des conditions adiabatiques sont atteints. L'efficacité matériau peut être déterminée en calculant le travail requis mécanique, sur la base d'un diagramme force-déplacement d'une expérience adiabatique, ainsi que la chaleur résorbable, en fonction de la variation moyenne de la température du matériau pendant le déchargement et la capacité calorifique de l'échantillon .

Elastocprocessus de refroidissement aloric:

L'étude de l'efficacité de refroidissement du SMA dans les conditions opératoires nécessite le transfert de chaleur entre le fluide de refroidissement SMA et une source de chaleur, ainsi qu'un dissipateur de chaleur. A cet effet, le SMA est en contact avec une source à l'état solide de la chaleur (après le déchargement adiabatique) et un dissipateur de chaleur (après le chargement adiabatique). L 'efficacité du processus dépend fortement de la commande de processus et les conditions aux limites thermique. L'enquête approfondie du processus de refroidissement nécessite une variation des paramètres de contrôle afin de déterminer le contrôle du processus le plus efficace. L'influence individuelle des paramètres (temps de contact, la souche SMA, la vitesse de déformation SMA, phase de contact (contact pendant le chargement / déchargement phase ou suivant) et de la force de contact) sur la performance des processus doit être étudié. En outre, l'influence de la condition limite thermique en changeant nombre croissant de cycles de refroidissement doitêtre pris en compte.

Validation du modèle:

Le développement d'un modèle de matériau couplé thermomécaniquement, capable de reproduire le comportement d'un matériau mécanique et thermique au cours du cycle de refroidissement, est crucial pour le développement d'une technologie de refroidissement roman. Le modèle permet pour le matériel et l'optimisation des processus par un effort réduit de développement expérimental et matériel. La validation nécessite un essai de traction isotherme initiale d'un matériau stabilisé pour générer les données d'entrée de matière mécanique requise (module d'élasticité de l'austénite et la phase martensitique, la largeur de l'hystérésis mécanique ainsi que la déformation de transformation). La validation du modèle a lieu sur la base des essais de traction à des taux différents. Les données d'entrée en calories nécessaires pour le modèle peut être déterminé par calorimétrie différentielle à balayage (DSC) suivant les essais mécaniques. Les mesures de DSC doivent être effectuées after l'essai mécanique afin de mesurer les propriétés des matériaux caloriques d'un échantillon stabilisé.

Protocole

Préparation 1. Echantillon

1. Mesurer le ruban SMA avec étriers et de déterminer la section transversale de l'échantillon.
2. Préparer l'échantillon pour la mesure IR par enduction du ruban avec une couche mince de haute émissivité (ε = 0,96), la peinture.
   Attention: La peinture est classée comme un irritant. Gants, lunettes de sécurité et de protection de la bouche doivent être portés pendant le traitement de la peinture.

2. Matériel de stabilisation (formation)

Remarque: le vélo mécanique initial conduit à une stabilisation mécanique et thermique matériel. L'enquête de l'effet de stabilisation, et la procédure de formation elle-même, nécessite l'utilisation de l'actionneur et les capteurs montés dans le niveau supérieur de la plate-forme de test, ainsi que la caméra infrarouge.

1. Démarrer le programme de commande de moteur et vérifier les réglages chargés. Modifiez les paramètres en mode position et le mode de commande. Vérifier que le moteur est en mode actif.
2. Set la position cible dans le programme de commande de moteur à 0 pm et cliquez sur "l'opération de validation" bouton - sur cette position la distance entre les pinces est de 90 mm.
3. Placez l'échantillon entre des pinces de la configuration expérimentale et utiliser un outil spécial d'alignement destiné à aligner l'échantillon.
4. Serrer les colliers à l'aide d'une aide au montage afin d'éviter la charge de flexion sur la cellule de charge et de l'échantillon. Utilisez une clé dynamométrique pour serrer les vis pour assurer une force de serrage reproductible (couple de serrage: 20 Nm).
5. Vérifiez la position actuelle du moteur et assurez-vous que le moteur est à la position de départ (0 pm).
6. Démarrez le logiciel de la caméra IR et charger le calibrage pour un objectif de 50 mm combinée à une lentille close-up. Choisissez une taille d'image de 1280 x 100 pixels et une plage de température de -20 ° C à 50 ° C. Positionner la caméra en utilisant l'unité de mise au point du moteur et confirmer l'ensemble de l'échantillon se trouve dans le champ de vision de la caméra.
   Remarque: La caméra IR, en combination avec le système de lentilles choisi, a une longueur focale (f) de 50 mm, une ouverture de f / 2 et une taille de pixel minimum de 60 um à une distance de travail de 200 mm.
7. Ouvrez le programme de contrôle pour la formation et la caractérisation des matériaux et de définir les paramètres de contrôle (déplacement, vitesse, temps de maintien, maximum et minimum de force, le nombre de cycles et de taux de trame de la caméra).
   1. Réglez la position de départ (0 pm) et choisir la position cible (4500 pm) de sorte que le matériau subit une transformation complète de phase.
   2. Réglez la vitesse d'entraînement direct linéaire (vitesse de chargement / déchargement) pour répondre à la vitesse de déformation désirée. Sélectionnez une vitesse de déformation de 5 x 10 ^-4 (vitesse de l' actionneur de 45 um / sec) sec ^-1 pour refroidir la formation de processus connexes.
      1. Déterminer la vitesse d'entraînement direct linéaire (v) en fonction de la vitesse de déformation choisie ( ) Et la longueur initiale de l' échantillon (l ₀₎ de 90 mm ​​(v = ∙ l ₀₎
   3. Réglez le temps de maintien à 0 sec.
   4. Définissez le nombre de cycles à 1 pour le premier cycle avec un nouvel échantillon.
   5. Réglez le minimum spécifique de l'échantillon et le niveau de force maximale pour éviter la charge de compression et de surcharge de traction (charge minimale de 1 MPa, la charge maximale de 800 MPa).
   6. Choisissez un taux d'IR de la caméra d'acquisition de 50 msec / frame (20 images par seconde).
   7. Cliquez sur le bouton de démarrage pour charger les paramètres.
8. Ouvrez le logiciel de la caméra IR, choisissez un nom de fichier et d'allouer 5.000 cadres.
   1. Passer de interne à la source de déclenchement externe et démarrer le mode d'acquisition de données.
9. Ouvrez le programme de commande et appuyez sur le bouton d'essai de démarrage.
10. Visualisation de données
    1. Une fois l'expérience terminée, charger les données dans le logiciel de traitement de données et de visualiser en termes de force / déplacement, stress / déformation, force / temps et des diagrammes de position / temps.
    2. Chargez les données IR dans le logiciel de la caméra IR et évaluer des profils de température les temps résolus. Définir une zone de mesure qui couvre la surface du ruban SMA et tracer la température maximale et minimale moyenne de l'échantillon en fonction du temps.
11. Répéter les étapes 02.06 à 02.09 jusqu'à ce que le matériau présente une tenue mécanique stable, et d'adapter la position de départ pour compenser les déformations résiduelles.
    1. Après les 10 premiers cycles, augmenter le nombre de cycles par expérience à 10 et procéder à des expériences jusqu'à ce que le comportement des matériaux est stable.

3. Caractérisation des matériaux

Remarque: La caractérisation des matériaux nécessite l'utilisation de l'actionneur et les capteurs montés dans le niveau supérieur du banc d'essai, ainsi que la caméra infrarouge. Au cours de la procédure de caractérisation de l'échantillon est chargé et déchargé à des vitesses différentes lors de l'exécutionune période de détention après le chargement et le déchargement.

1. Si le ruban SMA a été déserrée et le système de la plate-forme de test de contrôle a été éteint après la formation, répétez les étapes 2.1 à 2.6 et serrer à nouveau l'échantillon. Si cela n'a pas été le cas, procéder comme suit.
2. Ouvrez le programme de contrôle pour la formation et la caractérisation des matériaux et de définir les paramètres de contrôle (déplacement, vitesse, temps de maintien, le nombre de cycles et le cadre de la caméra taux).
   1. Régler la position de départ, de sorte que l'échantillon est sous charge nulle et régler la position de consigne correspond à la position cible de la formation (4500 um).
   2. Réglez la vitesse d'entraînement direct linéaire (vitesse de chargement / déchargement) pour répondre à la vitesse de déformation désirée. Choisir un taux de 1 x 10 ^-1 s ^-1 (vitesse d'actionnement de 9,000 um / sec) , ce qui entraîne une transformation de phase adiabatique pour les échantillons avec une section transversale de 0,75 mm x 1,4 mm ou plus contrainte.
   3. Réglez le temps de maintien à 180 sec, ce qui est suffisant pour que l'échantillon atteint le niveau de la température initiale.
      Remarque: Le temps de rétention doit être vérifié après l'expérience en calculant un temps d'équilibration thermique constant (τ) et un temps de maintien inférieur à 4 x τ doit être augmentée avant l'expérience de caractérisation suivante commence.
   4. Définissez le nombre de cycles à 1.
   5. Réglez le minimum spécifique de l'échantillon et le niveau de force maximale pour éviter la charge de compression et de surcharge de traction (charge minimale de 1 MPa, la charge maximale de 800 MPa).
   6. Choisissez un taux d'IR de la caméra d'acquisition de 5 msec / frame (200 images par seconde).
   7. Cliquez sur le bouton de démarrage pour charger les paramètres.
3. Ouvrez le logiciel de la caméra IR, choisissez un nom de fichier et d'allouer 80.000 cadres.
   1. Passer de interne à la source de déclenchement externe et démarrer le mode d'acquisition de données.
4. Ouvrez le programme de commande et appuyez sur le bouton d'essai de démarrage.
5. Chargez les données IR dans lalogiciel de la caméra infrarouge. Plot températures moyennes en fonction du temps maximum et l'échantillon minimum. Exporter les données et calculer le temps d'équilibration thermique constant avec le logiciel de traitement de données ^10,11.
6. Adapter le temps de maintien, le cas échéant, sur la base du équilibration thermique constante de temps calculée.
7. Répéter les étapes 3.2 à 3.5 et à faire varier la vitesse de déformation de 5 x 10 ^-5 s ^-1 à 1 x 10 ^-1 s ^-1, ainsi que la déformation de 2% à une pression maximale de 5% (déformation maximale équivalente à la déformation maximale pendant l'entraînement).
8. Etude des pics de température locales:
   Remarque: Le matériau présente un effet de l'effet elastocaloric localisation dépendant du débit. Une étude attentive de ces effets nécessite une résolution spéciale de haut du profil de température SMA. A cet effet, la lentille de la caméra IR doit être remplacée par une lentille de microscope. La lentille de microscope présente une ouverture de 3,0, avec un grossissement de 1X et d'une taille de pixel de 15um à une distance de travail de 195 mm.
   1. Mettre la lumière, retirez toutes les sources de chaleur à partir du champ de vision de la caméra IR et de changer la lentille.
   2. Modifiez les paramètres d'étalonnage de l'appareil photo et de charger un étalonnage de la lentille de microscope dans la plage de température de 20 ° C à 50 ° C et une taille d'image de 500 x 250 pixels. Utiliser l'unité de mise au point du moteur pour concentrer l'échantillon.
   3. Effectuer un essai de traction à une vitesse de déformation de 1 x 10 ^-1 sec ^-1 (9,000 um / sec), suivez les étapes décrites dans la section 2: stabilisation de matériaux.
9. Visualisation de données
   1. Chargez les données mécaniques dans le logiciel de traitement de données et de visualiser en termes de force / déplacement, contrainte / déformation, force / temps et des diagrammes de position / temps.
   2. Chargez les données IR dans le logiciel de la caméra IR et évaluer des profils de température les temps résolus. Définir une zone de mesure qui couvre la surface du ruban de SMA et de tracer la moyenne maxmum et la température minimale de l'échantillon en fonction du temps.

4. Elastocaloric processus de refroidissement

Remarque: L'étude des processus de refroidissement elastocaloric nécessite l'utilisation d'actionneurs et des capteurs au niveau supérieur et inférieur de la configuration ainsi que la caméra infrarouge. Ces expériences comprennent une variation des paramètres de contrôle pour optimiser le rendement du procédé.

1. Si le ruban SMA a été déserrée et le banc d'essai a été éteint après la caractérisation des matériaux, répétez les étapes 2.1 à 2.5 et serrer à nouveau l'échantillon. Si cela n'a pas été le cas, procéder comme suit.
2. Démarrez le logiciel de la caméra IR et charger le calibrage pour la lentille de 50 mm avec objectif gros plan. Choisissez une taille d'image de 1280 x 1024 pixels et une gamme de température de -20 ° C à 50 ° C. Positionnez l'appareil photo en utilisant l'unité de mise au point du moteur et assurez-vous que l'ensemble de l'échantillon est dans le champ de vision de la caméra.
   Remarque: La caméra IR en combinaison avec le système de lentilles choisi a une longueur focale (f) de 50 mm, une ouverture de f / 2 et une taille de pixel minimum de 60 um à une distance de travail de 200 mm.
3. Ouvrez le programme de contrôle des processus de refroidissement elastocaloric et définir les paramètres de contrôle (déplacement linéaire à entraînement direct l'un (niveau supérieur), la vitesse linéaire à entraînement direct un et deux, le temps de contact, la force maximale et minimale, phase de contact, le nombre de cycles et de la caméra frame rate).
   1. Régler la position de début de l'entraînement linéaire direct pour SMA chargement et de déchargement, de sorte que l'échantillon est sous charge nulle et régler la position de consigne correspond à la position cible de la formation (4500 um).
   2. Réglez la vitesse (vitesse de chargement / déchargement) de l'entraînement linéaire direct pour le chargement et le déchargement du SMA pour répondre à un taux de 1 x 10 ^-1 sec ^-1 (9,000 um / sec) souche. Réglez la vitesse de l'entraînement direct linéaire dans le niveau inférieur de la configuration à 100mm / sec.
   3. Réglez le temps de contact à 6 sec.
      Remarque: Le temps de contact détermine la durée du transfert de chaleur et peut être réglé sur une valeur supérieure à 10 msec.
   4. Choisissez le contact après le mode de chargement / déchargement.
      Note: Les influences de la phase de contact si le chargement et le déchargement est adiabatique (contact après le chargement / déchargement) ou associé à un transfert de chaleur vers le dissipateur thermique / source (contact pendant le chargement / déchargement).
   5. Définissez le nombre de cycles à 40.
   6. Réglez le minimum spécifique de l'échantillon et le niveau de force maximale pour éviter la charge de compression et de surcharge de traction (charge minimale de 1 MPa, la charge maximale de 800 MPa).
   7. Choisissez un taux d'IR de la caméra d'acquisition de 20 msec / cadre (50 images par seconde). Cliquez sur le bouton de démarrage pour charger les paramètres.
4. Ouvrez le logiciel de la caméra IR, choisissez un nom de fichier et d'allouer 50000 cadres. Passer de interne à la source de déclenchement externe et démarrer le mode d'acquisition de données.
5. Ouvrez le progr de contrôleam et appuyez sur le bouton d'essai de démarrage.
6. Visualisation de données
   1. Une fois l'expérience terminée la charge les données dans le logiciel de traitement de données, et de visualiser les informations suivantes: force / déplacement, contrainte / déformation, température / temps (température du dissipateur de chaleur / source), force / temps, la force de contact / heure et la position du linéaire des actionneurs / heure.
   2. Chargez les données IR dans le logiciel de la caméra IR et évaluer des profils de température les temps résolus. Définir trois zones de mesure qui recouvrent la surface de l'échantillon SMA ainsi que la surface du dissipateur de chaleur et la source de chaleur. Exporter le temps des données de température moyenne, maximale et minimale résolus des zones de mesure définies et les charger dans le logiciel de traitement de données.
   3. Visualisez les données IR dans un diagramme température / temps.
7. Répétez l'expérience sous variation des paramètres: tension, temps de contact et de la phase de contact.

5. Modèle de validation

Note: La validation des modèles de matériaux couplés thermo-mécanique nécessite des expériences qui adhèrent à la stabilisation matériel ou la caractérisation des matériaux. Utilisez un fil Ni-Ti avec une section transversale de 0,6 mm d'effectuer les recherches expérimentales.

1. Effectuer un essai de traction isotherme à une vitesse de déformation de 5 x 10 ^-5 s ^-1 et une souche de 5%, passez en effectuant les étapes décrites à la section 2.
2. Une fois l'expérience terminée, charger les données dans le logiciel de traitement de données et de visualiser la mesure contrainte / déformation. Calculer le module d'élasticité de l'austénite et la phase martensitique, la souche de transformation ainsi que la largeur de l'hystérésis. La fonction des données ci - dessus en tant que données d'entrée pour le modèle mécanique ^7.
3. Effectuer d' autres essais de traction à des taux de 1 x 10 ^-4 s ^-1, 5 x 10 ^-4 s ^-1, 1 x 10 ^-3 s ^-1, 5 x 10 ^-3 souche s ^-1, 1 x 10 ^-2 s ^-1, 5 x 10 ^-2 s ^-1, 1 x 10 ^-1 s ^-1 pour générer des données de validation pour le modèle.
4. Si les expériences sont accomplies prélever l'échantillon du système de test et effectuer une mesure différentielle à balayage calorimétrique (DSC) , ¹⁸ pour déterminer les propriétés des matières caloriques (les chaleurs latentes de la transformation de phase et la capacité thermique spécifique de la matière) de la matière stabilisée.
   Remarque: Les mesures DSC fournissent des données d'entrée caloriques pour le modèle couplé thermo-mécanique.
5. Démarrer la simulation des essais de traction décrit à l'étape 5.3.
   1. Mettre en œuvre le modèle personnalisé pour les alliages à mémoire de forme dans un logiciel commercial d'éléments finis:
      1. Sélectionnez noeud Géométrie et choisissez Intervalle pour dessiner la géométrie de fil 1D.
      2. Sélectionnez noeud Paramètres pour définir les paramètres du modèle identifiés à partir d' essais mécaniques dans step 5.2.
      3. Faites un clic droit noeud Définitions et sélectionnez Variables pour créer un nœud Variables. Sélectionner des variables noeud et définir l' algorithme pour déterminer les probabilités de transition issues de la thermodynamique statistique ^19.
      4. Sélectionnez Ajouter Physique et ajouter Coefficient formulaire PDE ou du Formulaire général PDE pour définir ensemble d'équations aux dérivées partielles à une dimension décrivant le comportement de forme superélastique en alliage à mémoire, constitué de la balance dynamique stationnaire, l'équilibre de l' énergie interne et équations cinétiques de transformation de phase ²⁰ .
   2. Sélectionnez les valeurs initiales sous-noeud pour régler la température initiale du fil à la température de l' environnement.
      1. Sélectionnez Dirichlet Boundary Condition de prescrire des conditions aux limites mécaniques pour appliquer une souche suivant la procédure expérimentale décrite dans la section 2, pour la souche taux de stEP 5,3, ce qui limite le déplacement d'une extrémité du fil et déterminer le déplacement de l'autre extrémité.
      2. Sélectionnez Dirichlet Boundary Condition de fixer des conditions aux limites thermiques à température constante à cause des pinces massives par rapport au fil mince.
         Remarque: Les paramètres standard du logiciel d'éléments finis ne conduisent pas à une solution convergente.
      3. Sélectionnez les sous-noeuds de configuration Solver pour modifier les paramètres standard (par exemple, les tolérances absolues et relatives et coefficient d' amortissement de la non - linéaire, itérative solveur Newton-Raphson) et cliquez sur "Calculer" pour exécuter solveur.
6. L'analyse des données
   1. Chargez les résultats expérimentaux et de simulation dans le logiciel d'analyse de données et de visualiser les données mécaniques et thermiques.
   2. Comparez les résultats expérimentaux et simulation, mécaniques (stress / réponse de contrainte) respective et thermique (évolution particulière de la température réglée duéchantillon) comportement des matériaux.

Résultats

Stabilisation des matériaux (Formation):

La figure 9 montre un diagramme contrainte / déformation de 50 cycles de formation. L'échantillon étudié est un ruban de Ni-Ti ayant une section transversale A = 1,45 mm ^2. Le taux de déformation appliquée de 1 x 10 ^-3 s ^-1 conduit à une augmentation de la température moyenne de AT = 12,2 K. L'augmentati...

Discussion

Le banc d'essai scientifique présentée permet une enquête complète de matériaux elastocaloric et processus de refroidissement en effectuant les expériences décrites dans la section de protocole. un alignement précis de l'échantillon avant serrage est crucial pour toutes les expériences. Bad alignement peut potentiellement conduire à une défaillance prématurée du matériau. En outre, la contrainte maximale appliquée a une influence notable sur la durée de vie la matière, alors que la souche requi...

matériels

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