JoVE Logo
Authors
Contact Us

Sign In

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

In This Article

  • Summary
  • Abstract
  • Introduction
  • Protocol
  • תוצאות
  • Discussion
  • Disclosures
  • Acknowledgements
  • Materials
  • References
  • Reprints and Permissions

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

סגסוגות זיכרון (SMA) באמצעות תהליכי קירור elastocaloric יש פוטנציאל להיות חלופה ידידותית לסביבה לתהליך הקירור המבוסס דחיסת אדים הקונבנציונלי. ניקל-טיטניום (Ni-Ti) מערכות מבוססות סגסוגת, במיוחד, להראות השפעות elastocaloric גדולות. יתר על כן, התערוכה חום כמוס גדול המהווה נכס מהותי הנדרש לפיתוח תהליך קירור מבוסס יעיל של מצב מוצק. אסדת בדיקה מדעית תוכננה כדי לחקור תהליכים אלה ולהשפעה elastocaloric ב SMAs. אסדת הבדיקה הבינה מאפשרת שליטה עצמאית של המחזורים פריקים והטעינה המכאניות של SMA, כמו גם העברת חום מוליך בין אלמנטי קירור SMA ומקור חום / כיור. אסדת המבחן מצוידת במערכת ניטור מקיפה מסוגלים מדידות מסונכרנות של פרמטרים מכאניים ותרמית. בנוסף לקביעת העבודה המכאנית תלוי התהליך, המערכת גם מאפשרת measurement היבטים הקלורי התרמיים של אפקט קירור elastocaloric דרך שימוש במצלמה אינפרא אדום בעל ביצועים גבוהים. שילוב זה הוא בעל עניין מיוחד, משום שהיא מאפשרת איורים של תופעות לוקליזציה וקצב - שניהם חשובים להעברת חום יעילה מהמדיום להיות מקוררות.

העבודה הציגה תאר שיטה ניסיונית לזהות תכונות חומר elastocaloric בחומרים שונים גיאומטריות מדגמות. יתר על כן, את מעטה הבדיקה משמשת לחקור וריאציות תהליך קירור שונות. שיטות הניתוח הציגו לאפשר שיקול בדיל של חומר, תהליך והשפעות מצב בגבול הקשורים על יעילות התהליך. ההשוואה של נתוני ניסוי עם תוצאות הסימולציה (של מודל אלמנטים סופי מצמיד thermomechanically) מאפשרת הבנה טובה יותר של הפיזיקה הבסיסית של אפקט elastocaloric. בנוסף, תוצאות הניסוי, כמו גם את הממצאים based על תוצאות הסימולציה, משמשים כדי לשפר את תכונות החומר.

Introduction

תהליכי קירור מצב מוצקים המבוססים על חומרי ferroic יש פוטנציאל להיות חלופות ידידותיות לסביבה לתהליך המבוסס דחיסת אדים הקונבנציונלי. חומרים Ferroic עשוי להפגין magnetocaloric, electrocaloric ואפקטים elastocaloric 1, 2, כמו גם שילובים של השפעות אלו, אשר מתוארים כהתנהגות חומר multicaloric 3. ההשפעות הקלורי השונות בחומרי ferroic כרגע נבדקות במסגרת הקרן הלאומית למדע הגרמני (DFG) התכנית העדיפה SPP 1599 "אפקטי קלורי ב Ferroic חומרים: מושגים חדשים עבור קירור" 4. זיכרון צורה סגסוגות (SMA) אשר מתבררים בתוך תכנית זו להראות השפעות elastocaloric גדולות, בסגסוגות Ni-Ti המבוסס בפרט עקב החום הכמוס הגדול שלהם 5. השינוי בשלב המושרה זן בשיעורים זן גבוה גורם לשינויי טמפרטורה משמעותיים של SMA, כפי שמוצג באיור 1.השינוי adiabatic, שלב אקסותרמית מ austenite כדי martensite שמעלה את הטמפרטורה SMA. שינוי אנדותרמית מ מרטנזיט כדי austenite מוביל לירידה בטמפרטורה משמעותית. תכונות החומר elastocaloric אלה יכולים לשמש עבור מצב מוצק קירור תהליכים ידי החלת מחזור פריקה וטעינה מכני מתאים. איור 2 מראה מחזור הקירור elastocaloric טיפוסי, בעקבות מחזור ברייטון. העברת החום בין מקור החום והקור, פרוק SMA להתקיים ברמות טמפרטורה נמוכות. בשלב הבא, ה- SMA נמצא במצב קשר נטול הצום, טעינת adiabatic מובילה לעלייה בטמפרטורה משמעותית של SMA. ההעברה בחום לאחר מכן בין SMA החם מתקיים גוף קירור על מאמץ מתמיד של ה- SMA. עם השלמת העברת החום, מהירה, פריקת adiabatic מובילה לירידה בטמפרטורה משמעותית של SMA מתחת לטמפרטורה של מקור החום, ואז ג הקירור הבאycle והעברת חום עם מקור חום יכול להתחיל. היעילות של תהליך קירור elastocaloric תלויה בעבודה המכאנית הנדרשת ואת החום הנקלט.

ראשית, מעקב אחר ניסויים בתחום הטמפרטורה במהלך בדיקות מתיחה בוצעו על ידי שו et al. 6, 7, במטרה לחקור את ההיווצרות של פסגות טמפרטורה מקומיות במהלך בדיקות מתיחות של רצועות SMA וחוטים בשיעורים שונים. שיטת הניסוי מיושמת בשילוב מדידת הפרמטרים המכאניים (מתח, מתח וקצב זן) עם רכישת סימולטני של שדות טמפרטורה באמצעות מדידות תרמוגרפיות. במהלך פריקה וטעינה של טיפוס SMA עם מכונת בדיקות מתיחות, אינפרא אדום (IR) מצלמה שמשה לרכוש תמונות IR של מדגם SMA. טכניקה זו מאפשרת חקירה של היווצרות תלות שיעור זן של פסגות הטמפרטורה. המדידה של התפלגות הטמפרטורה עלהמדגם הוא מאוד חשוב לחקירת ההשפעות elastocaloric וקביעת מאפייני הקירור של החומר. מדידת טמפרטורה מקומית - על ידי יישום מדידת טמפרטורת קשר עמנו - אינה מספיק כדי לאפיין את מאפייני הקירור של החומר. מדידה של שדה הטמפרטורה גם שימש קואי et al. 8 לחקר תופעות elastocaloric חוטי Ni-Ti. יתר על כן, Ossmer et al. 9, 10 הראה כי מדידות טמפרטורה תרמוגרפיות מתאימות גם חקירת תופעות elastocaloric ב Ni-Ti מבוססי סרטים דקים, אשר נדרשה מסגרת חליפין גבוהים של מצלמת IR לחקירת טרנספורמציות בשלב adiabatic זן גבוה תעריפים. טכניקה זו מאפשרת לחקירת כמויות elastocaloric ואת ההומוגניות של פרופיל הטמפרטורה, אשר יש השפעה משמעותית על העברת חום-מצב מוצק המבוסס ואתיעילות של תהליכי elastocaloric.

יעילות הקירור של החומר יכול להיקבע על ידי חישוב העבודה הנדרשת בהתבסס על מדידות מתח / זן כמו גם החום (שאותה ניתן לקבוע תוך התחשבות טמפרטורת שינוי קיבולת החום של החומר). עם זאת, השיטה הניסויית אינה מאפשרת חקירת החומר elastocaloric בתנאי התהליך. זה כולל העברת חום בין SMA ומקור חום, אשר יש השפעה משמעותית על היעילות של אפקט הקירור.

אפיון חומר תנאי תהליך קירור ואת חקירת תהליכי קירור elastocaloric דורשים אסדת מבחן המאפשר העברת חום מבוססת מצב מוצק, אשר לא יכול להיחקר על ידי כל מערכת מסחרית קיימות. לשם כך, פלטפורמת בדיקות רומן פותחה. אסדת מבחן מוגדר בשתי רמות כפי שמוצג באיור 3. Uppeרמת r מאפשרת אפיון חומר elastocaloric בסיס נהלי הכשרה ראשוניים, דומה לשיטה שתוארה לעיל (ראה איור 4). ההתקנה מצוידת בכונן ישיר ליניארי מסוגל פריק וטעינת ה- SMA בשיעורי זן עד 1 שניות -1 (ראה איור 5). הכונן הישיר ליניארי מאפשר החקירה של דגימות עם חתך של עד 1.8 מ"מ 2, ואילו אורך המדגם הטיפוסי הוא 90 מ"מ. היתרון של כונן ישיר ליניארי הוא המהירות הגבוהה וההאצה הגבוהה - בניגוד כונני כדור סלילי אשר משמשים בדרך כלל עבור בדיקות מתיחות. יתר על כן, תא עומס, כמו גם מערכת מדידת עמדה המשולבת של כונן ליניארי, מספק נתוני מדידה מכאניים. מצלמת IR ברזולוציה גבוהה (1,280 x 1,024 פיקסלים) משמש כדי למדוד את פרופיל הטמפרטורה של ה- SMA עם עד 400 הרץ (בטווח הטמפרטורה הנדרשת). שימוש עדשה מיקרוסקופ עם מילolution של 15 מיקרומטר / פיקסל מאפשר החקירה של שפעות טמפרטורה מקומיות. במפלס התחתון של אסדת המבחן מכיל מנגנון המאפשר העברת חום לסירוגין מוליך בין SMA ואת גוף קירור מקור / חום (ראה איורים 6 ו -7). הכונן הישיר ליניארי במפלס התחתון בורר בין מקור החום אל SMA ומן SMA אל גוף הקירור, ואילו מרים פנאומטי גליל ומוריד את חום המקור / כיור (ראה איור 8). כל מפעיל ניתן לשלוט בצורה עצמאית המאפשר חקירה של וריאציות תהליך הקירור שונות. מערכת המדידה המקיפה מאפשרת מדידות של פרמטרים מכאניים: מיקום הינע, מהירויות הינע, כוח טעינת SMA, כוח מגע בין SMA ומקור חום / כיור במהלך העברת חום וכן פרמטרים תרמיים (כלומר, טמפרטורות בתוך מקור חום / כיור, התפלגות הטמפרטורה על פני השטח של SMA ואת מקור חום / החטאיא). תיאור מפורט יותר של פלטפורמת הבדיקה המדעית ניתן שמידט ואח '. 11.

figure-introduction-5458
Scheme איור 5. של המפלס העליון של מתקן מבחן כונן ישיר ליניארי של העמסה ופריקה של מדגם SMA עם מערכת מדידת עמדה משולבת.; תא עומס מדידת כוחות מתיחים, כמו גם מצלמת IR ברזולוציה גבוהה (1,280 x 1,024 פיקסלים) לרכישות פרופיל טמפרטורה.

figure-introduction-5892
איור 7. תכנית של המפלס התחתון של אסדת מבחן כונן ישיר ליניארי למיתוג בין גוף קירור המקור חום.; גליל פניאומטית ליצור קשר בין מדגם SMA והמקור / גוף קירור; חיישני טמפרטורה שולבו בכיור חום / סוRCE למדוד את טמפרטורת הליבה של הגושים. תא עומס דחיסה למדידת כוח המגע בין SMA ואת מקור החום / כיור משולב במנגנון העברת חום ולא גלוי בתכנית זו.

אסדת הבדיקה מאפשרת לחקירת יצירות סגסוגת שונות וגדל מדגם וכן גיאומטריות (סרטים, חוטים). יתר על כן, ההתקנה מאפשרת חקירות מקיפות של חומרי elastocaloric ותהליכי קירור. הניסויים שתוארו לעיל ניתן לבצע והביצוע יתואר צעד-אחר-צעד באזור הפרוטוקול של כתב היד הזה.

ייצוב החומר:

התנהגות חומר יציבה חשובה עבור השימוש בחומרי elastocaloric קירור מערכות. לשם כך, הליך ייצוב מכני מוחל. במהלך הליך זה החומר עובר מחזורי טעינה ופריקה מכאניים מבצעת שלבשינוי מ austenite כדי martensite. ייצוב החומר מראה תלות קצב חזקה. שיעורי העמסה גבוהים להוביל לשינוי טמפרטורה של החומר, אשר נגרם על ידי החום הכמוס של טרנספורמציה השלב. יש שינוי טמפרטורה זו השפעה דומה על ייצוב החומר, כמו לעשות מחזורי הכשרה מכאנית בטמפרטורות שונות 12-15. בנוסף ל -13 מכנים הידועים היטב הקלורי 16 הייצוב, ייצוב חומר תרמי ניתן לצפות עם ההתקנה תוכננה על ידי יישום תרמוגרפיה 17.

אפיון החומר:

לאחר הליך הכשרה מכאני ראשוני, בחומר מגלה התנהגות מכאנית, תרמית הקלורי יציבה המאפשרת את תכונות חומר elastocaloric להתאפיין. לכן, רכיבה מכאנית בשיעורים שונים מתבצעת ואילו, בניגוד לנוהל האימונים, elastocאפיון aloric כולל שלב חזק לאחר פריקה וטעינה. למשך בשלב החזקת זן SMA נשמר קבוע עד רמת טמפרטורת סביבה הוא הגיע שוב. סוג של ניסוי זה נדרש על מנת לקבוע את טמפרטורת ההשגה הנמוכה ביותר לאחר הפריקה, החל מרמות טמפרטורת סביבה, כמו גם את יעילות החומר. היווצרות הדרג תלויה של פסגות טמפרטורה מקומיות ניתן לצפות, עם שיעור גבוה יותר שמוביל התפלגות טמפרטורה הומוגנית יותר ויותר. יתר על כן, על ידי הגדלת שיעור זן השינוי בטמפרטורה מגדילה באופן שווה עד שתנאי adiabatic מושגות. יעילות החומר יכול להיקבע על ידי חישוב עבודה מכנית נדרש, מבוסס על דיאגרמה כוח תזוזה של ניסוי adiabatic, כמו גם החום נספג, המבוסס על שינוי הטמפרטורה הממוצעת של החומר במהלך פריקה קיבולת החום של המדגם .

Elastocתהליך הקירור aloric:

חקירת יעילות הקירור של SMAs בתנאי תהליך דורשת את העברת החום בין מדיום קירור SMA ומקור חום, כמו גם גוף קירור. לשם כך, ה- SMA נמצא בקשר עם מקור חום מצב מוצק (בעקבות פריקת adiabatic) וכיור חום (לאחר טעינת adiabatic). היעילות של תהליך תלוי בחום על בקרת תהליכים ואת תנאי שפה התרמיים. החקירה המקיפה של תהליך הקירור דורשת וריאציה של הפרמטרים המלאים על מנת לקבוע את בקרת תהליכים היעילה ביותר. השפעת הפרט של הפרמטרים (זמן מגע, זן SMA, שיעור זן SMA, שלב מגע (קשר במהלך העמסה / פריקה שלב או הבאה) ואת כוח מגע) על ביצועי התהליך צריך להיחקר. יתר על כן, את ההשפעה של המצב בגבול תרמית שינוי על ידי הגדלת מספר מחזורי קירור צריכהלהילקח בחשבון.

אימות דגם:

פיתוח מודל חומר מצמיד thermomechanically, המסוגלים להתרבות התנהגות החומר המכאנית תרמית במהלך מחזור הקירור, הוא חיוני לפיתוח של טכנולוגיית קירור רומן. המודל מאפשר לחומר ואופטימיזציה תהליך מאמץ פיתוח חומר ניסיוני מופחת. התיקוף דורש בדיקת מתיחת isothermal ראשונית של חומר התייצב על מנת ליצור את נתוני קלט חומר מכאני הנדרשים (מודולוס אלסטיות של austenite ואת שלב מרטנזיט, הרוחב של היסטרזיס המכאני, כמו גם זן טרנספורמציה). התיקוף של המודל מתקיים על בסיס בדיקות מתיחות בשיעורים שונים. נתוני קלט הקלוריות הנדרשים המודל ניתן לקבוע על ידי הסריקה calorimetry דיפרנציאלי (DSC) שבאו בעקבות הניסיונות המכאניים. מדידות DSC צריכות להתבצע after מבחן מכני כדי למדוד את תכונות החומר הקלורי של מדגם התייצב.

Protocol

לדוגמא הכנה 1.

  1. מדוד את סרט SMA עם מחוגה ולקבוע את החתך של המדגם.
  2. הכן את המדגם עבור מדידות IR על ידי ציפוי הסרט עם שכבה דקה של emissivity הגבוהה (ε = 0.96) צבע.
    זהירות: הצבע מוגדר כאזור מגרה. כפפות, משקפי מגן וגינת פה חייבות להיות משוחקים במהלך העיבוד של הצבע.

ייצוב חומר 2. (הדרכה)

הערה: רכיבה מכאנית ראשונית מוביל ייצוב חומר מכאני תרמית. חקירת השפעת הייצוב, ואת תהליך האימון עצמו, מחייב שימוש של המפעיל והחיישנים רכובים במפלס העליון של מתקן הבדיקה, כמו גם את מצלמת IR.

  1. התחל תכנית בקר מנוע ולבדוק את ההגדרות הטעונות. שינוי ההגדרות למצב מיקום ואת המצב פקוד. בדוק את המנוע נמצא במצב פעיל.
  2. Set עמדת היעד בתוכנית בקר המנוע 0 מיקרומטר ולחץ על "מבצע לאפשר" כפתור - בעמדה זו המרחק בין מלחציים הוא 90 מ"מ.
  3. מניחים את המדגם בין מלחציים של הגדרת הניסוי ולהשתמש בכלי יישור מיוחד המיועד כדי ליישר את המדגם.
  4. הדק מלחציים באמצעות סיוע גובר על מנת למנוע עומס כיפוף על תא עומס מדגם. השתמש מפתח מומנט להידוק הברגים כדי להבטיח כוח clamping לשחזור (הידוק מומנט: 20 ננומטר).
  5. בדוק מיקום המנוע הנוכחי ולוודא כי המנוע הוא במיקום ההתחלה (0 מיקרומטר).
  6. הפעל את תוכנת המצלמה IR ו לטעון את הכיול עבור עדשה 50 מ"מ בשילוב עם עדשת תקריב. בחר בגודל תמונה של 1,280 x 100 פיקסלים ואת טווח טמפרטורות של C -20 ° C עד 50 °. מקם את המצלמה באמצעות יחידת פוקוס המנוע ולאשר המדגם כולו נמצא בשדה הראייה של המצלמה.
    הערה: מצלמת IR, ב הקומבינהtion עם מערכת העדשה הנבחר, בעל אורך מוקד (f) של 50 מ"מ, צמצם של f / 2 ו גודל פיקסל מינימום של 60 מיקרומטר מרחק עבודה של 200 מ"מ.
  7. פתח את התכנית המלאה לאפיון הכשרת חומר וכן להגדיר את הפרמטרים המלאים (תזוזה, מהירות, זמן מחזיק, מקסימום כוח מינימאלי, מספר המחזורי וקצב תמונות מצלמה).
    1. לקבוע את מיקום ההתחלה (0 מיקרומטר) ולבחור את מיקום היעד (4,500 מיקרומטר) כך שהחומר עובר שינוי שלב שלם.
    2. הגדר את מהירות כונן הישירה ליניארי (מהירות טעינה / פריקה) כדי לענות על שיעור הזן הרצוי. בחר שיעור זן של 5 x 10 -4 שניות -1 (מהירות הינע של 45 מיקרומטר / sec) לאימוני קירור הקשורים בתהליך.
      1. קבע את מהירות הכונן ישירה ליניארי (נ) על פי שער זן נבחר ( figure-protocol-2977 ) ואת אורך המדגם הראשוני (L 0) של 90 מ"מ (v = figure-protocol-3098 ∙ l 0)
    3. קבע את זמן ההחזקה ל -0 שניות.
    4. הגדר את מספר מחזורים עד 1 במחזור הראשון עם מדגם חדש.
    5. הגדר את מינימום המדגם ספציפי ורמת כוח מרבית למנוע עומס דחיסה ועומס מתיחה (עומס מינימאלי 1 מגפ"ס, עומס מרבי 800 מגפ"ס).
    6. בחר הרכישה בשיעור מצלמת IR של 50 מילי-שניות / מסגרת (20 מסגרות לשנייה).
    7. לחץ על כפתור התחל כדי לטעון את הגדרות.
  8. פתח את תוכנת מצלמת IR, בחר שם קובץ ולהקצות 5,000 מסגרות.
    1. Switch ממדיה הפנימיים מקור טריגר חיצוני ולהתחיל במצב רכישת נתונים.
  9. פתח את התכנית המלאה לחץ על הלחצן התחל את הניסוי.
  10. ויזואליזציה נתונים
    1. לאחר הניסוי נגמר, לטעון את הנתונים לתוך תוכנת עיבוד נתונים ולדמיין את זה במונחים של כוח / עקירה, stress / זן, כוח / זמן ודיאגרמות עמדה / שעה.
    2. טען את נתוני IR לתוך תוכנת מצלמת IR ולהעריך את פרופילי טמפרטורת הזמן לפתור. גדר אזור מדידה אשר מכסה את פני השטח של סרט SMA ואת עלילת הטמפרטורה המקסימלית ואת המינימום הממוצעת של המדגם ביחס לזמן.
  11. חזור על שלבי 2.6 עד 2.9 עד בחומר מגלה התנהגות מכאנית יציבה ולהתאים את מיקום ההתחלה כדי לפצות על זנים שיורית.
    1. לאחר 10 המחזורים הראשונים, להגדיל את המספר מחזורי לכל ניסוי 10 והמשך עם הניסויים עד התנהגות חומר יציבה הוא הגיעה.

3. אפיון החומר

הערה: אפיון החומר מחייב שימוש של המפעיל והחיישנים רכובים במפלס העליון של מתקן הבדיקה, כמו גם את מצלמת IR. במהלך הליך אפיון המדגם טעון פרק בשיעורים שונים בעת ביצועתקופה חזקה לאחר פריקה וטעינה.

  1. אם סרט SMA כבר unclamped ומערכת שליטה על אסדת הבדיקה כבר כיבה לאחר אימון, חזור על שלבים 2.1 כדי 2.6 ו מהדק את המדגם שוב. אם זה לא היה המקרה, המשך כדלהלן.
  2. פתח את התכנית המלאה לאפיון הכשרת חומר וכן להגדיר את הפרמטרים המלאים (תזוזה, מהירות, מחזיק זמן, מספר המחזורי ומסגרת מצלמת שיעור).
    1. לקבוע את המיקום ההתחלה כך המדגם הוא תחת עומס אפס ולהגדיר המקבילה למיקום היעד למיקום היעד של אימונים (4,500 מיקרומטר).
    2. הגדר את מהירות כונן הישירה ליניארי (מהירות טעינה / פריקה) כדי לענות על שיעור הזן הרצוי. בחר קצב זן של 1 x 10 -1 שניות -1 (מהירות הינע של 9,000 מיקרומטר / sec) מה שמוביל שינוי שלב adiabatic עבור דגימות עם חתך של 0.75 מ"מ x 1.4 מ"מ ומעלה.
    3. הגדר את הזמן מחזיק 180 seג, וזה מספיק למדגם כדי להגיע לרמת הטמפרטורה הראשונית.
      שים לב: בפעם ההחזקה צריכה להיות מאומתת לאחר הניסוי על ידי חישוב זמן איזון תרמי קבוע (τ) וזמן החזקה קטנה מ- 4 x τ צריך להיות מוגבר לפני ניסוי האפיון הבא מתחיל.
    4. הגדר את מספר מחזורים עד 1.
    5. הגדר את מינימום המדגם ספציפי ורמת כוח מרבית למנוע עומס דחיסה ועומס מתיחה (עומס מינימאלי 1 מגפ"ס, עומס מרבי 800 מגפ"ס).
    6. בחר הרכישה בשיעור מצלמת IR של 5 מילי-שניות / מסגרת (200 פריימים לשנייה).
    7. לחץ על כפתור התחל כדי לטעון את הגדרות.
  3. פתח את תוכנת מצלמת IR, בחר שם קובץ ולהקצות 80,000 מסגרות.
    1. Switch ממדיה הפנימיים מקור טריגר חיצוני ולהתחיל במצב רכישת נתונים.
  4. פתח את התכנית המלאה לחץ על הלחצן התחל את הניסוי.
  5. טענת את נתוני IR לתוךתוכנת מצלמת IR. מגרש מתכוון מקסימלית מדגם מינימום בטמפרטורות לעומת זמן. לייצא את הנתונים ולחשב את זמן איזון תרמי מתמיד עם תוכנת עיבוד נתונים 10,11.
  6. להתאים את זמן ההחזקה, אם יהיה צורך בכך, על בסיס קבוע הזמן איזון תרמי מחושב.
  7. חזור על שלבי 3.2 עד 3.5 ו לשנות את שיעור הזן מ 5 x 10 -5 שניות -1 ל- 1 x 10 -1 שניות -1, כמו גם את המתח בין 2% ל זן מרבי של 5% (הזן מרבי הוא שווה ערך ל הזן מקסימלית במהלך אימון).
  8. חקירת פסגות טמפרטורה מקומיות:
    הערה: חומר תערוכות השפעת לוקליזציה תלוי שיעור השפעת elastocaloric. בדיקה מעמיקה של ההשפעות הללו דורש החלטה מיוחדת גבוהה של פרופיל הטמפרטורה SMA. לשם כך, עדשת מצלמת IR צריכה להיות מוחלפת על ידי עדשת המיקרוסקופ. עדשת מיקרוסקופ יש צמצם של 3.0, בהגדלה של 1X ו גודל פיקסל של 15מיקרומטר מרחק עבודה של 195 מ"מ.
    1. להדליק את האור הכבוי, הסר את כל המקורות החומים מתחום הראייה של מצלמת IR ולשנות את העדשה.
    2. שינוי הגדרות כיול המצלמה לטעון כיול עדשת מיקרוסקופ בתוך טווח טמפרטורות של 20 מעלות צלזיוס עד 50 מעלות צלזיוס, בגודל תמונה של 500 x 250 פיקסלים. השתמש יחידת מיקוד המנוע ולמקד את המדגם.
    3. בצע מבחן מתיחה בקצב זן של 1 x 10 -1 שניות -1 (9,000 מיקרומטר / sec), בצע את הפעולות המתוארות בסעיף 2: ייצוב חומר.
  9. ויזואליזציה נתונים
    1. טען את הנתונים המכאניים לתוך תוכנת עיבוד נתונים ולדמיין את זה במונחים של דיאגרמות כוח / עקירה, מתח / זן, כוח / שעה ומיקום / שעה.
    2. טען את נתוני IR לתוך תוכנת מצלמת IR ולהעריך את פרופילי טמפרטורת הזמן לפתור. גדר אזור מדידה אשר מכסה את פני השטח של סרט SMA ו עלילת המקסימום הממוצעimum ואת טמפרטורת מינימום של המדגם ביחס לזמן.

4. תהליך הקירור Elastocaloric

הערה: חקירת תהליכי קירור elastocaloric מחייבת השימוש מפעיל חיישנים במפלס העליון ותחתון של ההתקנה, כמו גם את מצלמת IR. ניסויים אלה כוללים וריאציה של הפרמטרים המלאים על מנת לייעל את ביצועי התהליך.

  1. אם סרט SMA כבר unclamped ואת מעטה הבדיקה כבר כיבה לאחר אפיון החומר, חזור על שלבים 2.1 כדי 2.5 ו מהדק את המדגם שוב. אם זה לא היה המקרה, המשך כדלהלן.
  2. הפעל את תוכנת המצלמה IR ולטעון את הכיול של העדשה 50 מ"מ עם עדשת תקריב. בחר בגודל תמונה של 1,280 x 1,024 פיקסלים טווח טמפרטורות של C -20 ° C עד 50 °. מקם את המצלמה באמצעות יחידת מיקוד המנוע וודא כי המדגם כולו נמצא בשדה הראייה של המצלמה.
    הערה: מצלמת IR בשילוב עם מערכת העדשה נבחר בעל אורך מוקד (f) של 50 מ"מ, צמצם של f / 2 ו גודל פיקסל מינימום של 60 מיקרומטר מרחק עבודה של 200 מ"מ.
  3. פתח את התכנית המלאה עבור תהליכי קירור elastocaloric וכן להגדיר את הפרמטרים המלאים (תזוזה של נעה ישירה ליניארי אחד (במפלס עליון), מהירות של כונן ליניארי הישיר אחד ושתי, זמן מגע, כוח המינימום ומקסימום, שלב קשר, מספר המחזורי והמצלמה קצב פריימים).
    1. לקבוע את מיקום ההתחלה של הנעה הישירה ליניארי להעמסה ופריקה SMA, כך המדגם הוא תחת עומס אפס ולהגדיר המקבילה למיקום היעד למיקום היעד של האימונים (4,500 מיקרומטר).
    2. הגדר את המהירות (מהירות טעינה / פריקה) של הכונן הישיר ליניארי של העמסה ופריקה של SMA לפגוש שיעור זן של 1 x 10 -1 שניות -1 (9,000 מיקרומטר / sec). הגדר את המהירות של הכונן הישיר ליניארי במפלס התחתון של ההגדרה ל -100מ"מ / sec.
    3. הגדר את זמן המגע עד 6 שניות.
      שים לב: בפעם קשר קובע את משך הזמן של העברת חום ניתן להגדיר לכל ערך מעל 10 msec.
    4. בחר את איש הקשר אחרי מצב טעינה / פריקה.
      הערה: השפעות שלב הקשר אם הפריקה והטעינה היא adiabatic (קשר לאחר טעינה / פריקה) או בשילוב עם העברת חום אל גוף קירור / המקור (קשר במהלך טעינה / פריקה).
    5. הגדר את מספר מחזורים עד 40.
    6. הגדר את מינימום המדגם ספציפי ורמת כוח מרבית למנוע עומס דחיסה ועומס מתיחה (עומס מינימאלי 1 מגפ"ס, עומס מרבי 800 מגפ"ס).
    7. בחר הרכישה בשיעור מצלמת IR של 20 מילי-שניות / מסגרת (50 מסגרות לשנייה). לחץ על כפתור התחל כדי לטעון את הגדרות.
  4. פתח את תוכנת מצלמת IR, בחר שם קובץ ולהקצות 50000 מסגרות. Switch ממדיה הפנימיים מקור טריגר חיצוני ולהתחיל במצב רכישת נתונים.
  5. פתח את progr המלאam ולחץ על כפתור התחל את הניסוי.
  6. ויזואליזציה נתונים
    1. לאחר הניסוי נגמר עומס הנתונים לתוך תוכנת עיבוד נתונים ולדמיין את הנתונים הבאים: כוח / עקירה, מתח / זן, טמפרטורה / שעה (טמפרטורה של גוף קירור / המקור), כוח / זמן, כוח מגע / שעה ומיקום של מפעילים / זמן ליניארי.
    2. טען את נתוני IR לתוך תוכנת מצלמת IR ולהעריך את פרופילי טמפרטורת הזמן לפתור. גדר בשלושה תחומי מדידה אשר מכסים את פני השטח של מדגם SMA וכן את פני השטח של גוף קירור מקור החום. לייצא את הזמן נפתרו ממוצעים, מקסימום ונתוני טמפרטורת מינימום של אזורי המדידה המוגדרים לטעון אותם לתוך תוכנת עיבוד נתונים.
    3. דמיינו את נתוני IR בתרשים טמפרטורה / שעה.
  7. חזור על הניסוי תחת וריאציה של פרמטרים: זן, זמן המגע ושלב קשר.

אימות דגם 5.

הערה: ותיקוף מודלי חומר מצמיד-מכאני תרם דורשת ניסויים דבקים ייצוב חומר או אפיון חומר. השתמש חוט Ni-Ti עם חתך של 0.6 מ"מ לביצוע חקירות ניסיונית.

  1. בצע מבחן מתיחה isothermal בקצב זן של 5 x 10 -5 שניות ו -1 זן של 5%, המשך על-ידי ביצוע השלבים המתוארים בסעיף 2.
  2. לאחר הניסוי נגמר, לטעון את הנתונים לתוך תוכנת עיבוד נתונים ולדמיין מדידת מתח / זן. חשב את מודול אלסטי של austenite ואת השלב מרטנזיט, זן טרנספורמציה כמו גם את רוחב היסטרזיס. פונקצית הנתונים האמורה כמו נתוני קלט מכאניים עבור המודל 7.
  3. בצע בדיקות מתיחה נוספות בשיעורי זן של 1 x 10 -4 שניות -1, 5 x 10 -4 שניות -1, 1 x 10 -3 שניות -1, 5 x 10 -3 sec -1, 1 x 10 -2 שניות -1, 5 x 10 -2 שניות -1, 1 x 10 -1 שניות -1 להפיק נתונים אימות עבור המודל.
  4. אם הניסויים הושלמו לקחת את הדגימה מחוץ למערכת הבדיקה ולבצע מדידת קלוריות סריקת הפרש (DSC) 18 כדי לקבוע את תכונות חומר הקלורי (חום הכמוס של טרנספורמציה פאזה קיבולת חום סגולית של החומר) של החומר התייצב.
    הערה: מדידות DSC לספק נתוני קלט הקלורי עבור דגם מצמידים התרמו-מכאני.
  5. התחל סימולציה של בדיקות מתיחה כמתואר בשלב 5.3.
    1. ליישם מודל מותאם אישית עבור סגסוגות זיכרון צורה לתוך תוכנת אלמנטים סופיים זמינה מסחרי:
      1. בחר צומת גיאומטריה ולבחור מרווח לצייר גיאומטרית חוט 1D.
      2. פרמטרים בוחרים צומת להגדיר פרמטרי מודל מזוהים מבדיקות מכנות STEp 5.2.
      3. לחץ לחיצה ימנית על הצומת הגדרות ובחר משתנים כדי ליצור צומת משתנים. בחר משתנים הצומת ולהגדיר אלגוריתם לקביעת הסתברויות המעבר נגזר תרמודינמיקה סטטיסטית 19.
      4. להוסיף פיסיקה בחר ולהוסיף מקדמים הטופס PDE או כללי הטופס PDE להגדיר סט של משוואות דיפרנציאליות חלקיות חד ממדיות המתארות את התנהגותם של סגסוגת זיכרון צורת superelastic, מורכב מיתרת המומנטום הנייחת, יתרת האנרגיה הפנימית ומשוואות הקינטית של טרנספורמציה שלב 20 .
    2. בחר ערכים ההתחלתיים צמתים תת לקבוע את הטמפרטורה ההתחלתית של החוט לטמפרטורת הסביבה.
      1. בחר דיריכלה גבול תנאי כדי לקבוע תנאי גבול מכאניים להחלת זן בעקבות הליך הניסוי המתואר בסעיף 2, עבור השיעורים-הזן ב stEP 5.3, מגביל את ההעתק של קצה אחד של החוט וקובעות את העקירה של הקצה השני.
      2. בחר מצב בגבול דיריכלה להגדיר תנאי שפה תרמיים בטמפרטורה קבועה בגלל מלחציים מהסיבי לעומת החוט הדק.
        הערה: הגדרות סטנדרטיות של תוכנת אלמנטים הסופית אינן מובילות לפתרון מתכנס.
      3. תת-צמתים בחרו של תצורת Solver לשנות הגדרות סטנדרטיות (למשל, טולרנסים מוחלטים ויחסי ואת ריסון של קוי, פותר ניוטון-Raphson איטרטיבי) ולחצו על "לחשב" לרוץ פותר.
  6. ניתוח נתונים
    1. טען את תוצאות ניסוי וסימולציה לתוך תוכנת ניתוח הנתונים להמחיש את הנתונים המכאניים תרמית.
    2. השווה את תוצאות ניסוי וסימולציה, בהתאמה מכאנית (מתח / תגובת זן) ותרמית (התפתחות טמפרטורה נפתרה מיוחדת שלמדגם) התנהגות חומר.

תוצאות

ייצוב חומר (הדרכה):

איור 9 מציג דיאגרמה מתח / זן של 50 מחזורי אימון. המדגם הנחקר הוא סרט Ni-Ti עם חתך של A = 1.45 מ"מ 2. שיעור המאמץ ליישם של 1 x 10 -3 שניות -1 מוביל לעלייה...

Discussion

אסדת המבחן המדעית הציגה מאפשרת חקירה מקיפה של חומרי elastocaloric ותהליכי קירור על ידי ביצוע הניסויים כמתוארים בסעיף בפרוטוקול. יישור מדויק של המדגם לפני ההידוק הוא קריטי עבור כל הניסויים. יישור רע פוטנציאלי יכול להוביל לכישלון החומר המוקדם. יתר על כן, לכל היותר להחיל יש ז?...

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

המחברים מבקשים להודות התמיכה של התכנית העדיפה DFG 1599 "תופעות קלורי בחומרי ferroic: מושגים חדשים עבור קירור" (פרויקטים: EG101 / 23-1, SCHU2217 / 2-1, SE704 / 2-1, EG101 / 29 -2, SCH2217 / 3-2, SE704 / 2-2).

Materials

NameCompanyCatalog NumberComments
Linear direct drivesESR-PollmeierML 1418-U5-W1SMA loading/unloading; heat transfer
Pneumatic cylinder FestoADNGF-40 574031Contact between heat source/sink and SMA
Inductive position measurement system AMOLMKA-1101.1NN-1.0-0
Tension and compression load cellFutekLCF451; FSH02241SMA force
Compression load cellFutekLTH300; FSH00297Contact force
IR cameraInfra TecImage IR 9360; M911291,280 x 1,024 pixels; Maximum frame rate 3,200 Hz
Real-Time Controller National InstrumentsNI CompactRIO-9074Data acquisiton and control system
Camera varnishTetenal105202

References

  1. Fähler, S., Rößler, U. K., et al. Caloric effects in ferroic materials: New concepts for cooling. Adv. Eng. Mater. 14 (1-2), 10-19 (2012).
  2. Moya, X., Defay, E., Heine, V., Mathur, N. D. Too cool to work. Nat. Phys. 11 (3), 202-205 (2015).
  3. Starkov, I. A., Starkov, A. S. On the thermodynamic foundations of solid-state cooler based on multiferroic materials. Int. J. Refrig. 37, 249-256 (2014).
  4. Moya, X., Kar-Narayan, S., Mathur, N. D. Caloric materials near ferroic phase transitions. Nat. Mater. 13 (5), 439-450 (2014).
  5. Shaw, J. A., Kyriakides, S. On the nucleation and propagation of phase transformation fronts in a NiTi alloy. Acta Mater. 45 (2), 683-700 (1997).
  6. Chang, B. -. C., Ja Shaw, ., Iadicola, M. A. Thermodynamics of Shape Memory Alloy Wire: Modeling Experiments, and Application. Contin. Mech. Thermodyn. 18 (1-2), 83-118 (2006).
  7. Cui, J., Wu, Y. M., et al. Demonstration of high efficiency elastocaloric cooling with large Delta T using NiTi wires. Appl. Phys. Lett. 101 (7), 073904 (2012).
  8. Ossmer, H., Lambrecht, F., Gültig, M., Chluba, C., Quandt, E., Kohl, M. Evolution of temperature profiles in TiNi films for elastocaloric cooling. Acta Mater. 81, 9-20 (2014).
  9. Ossmer, H., Chluba, C., Krevet, B., Quandt, E., Rohde, M., Kohl, M. Elastocaloric cooling using shape memory alloy films. J. Phys. Conf. Ser. 476 (1), 012138 (2013).
  10. Schmidt, M., Schütze, A., Seelecke, S. Scientific test setup for investigation of shape memory alloy based elastocaloric cooling processes. Int. J. Refrig. 54, 88-97 (2015).
  11. Tobushi, H., Shimeno, Y., Hachisuka, T., Tanaka, K. Influence of strain rate on superelastic properties of TiNi shape memory alloy. Mech. Mater. 30 (2), 141-150 (1998).
  12. Miyazaki, S., Mizukoshi, K., Ueki, T., Sakuma, T., Liu, Y. Fatigue life of Ti-50 at.% Ni and Ti-40Ni-10Cu (at.%) shape memory alloy. Mater. Sci. Eng. A. 273-275, 658-663 (1999).
  13. Olbricht, J., Yawny, A., Condò, A. M., Lovey, F. C., Eggeler, G. The influence of temperature on the evolution of functional properties during pseudoelastic cycling of ultra fine grained NiTi. Mater. Sci. Eng. A. 481-482, 142-145 (2008).
  14. Tušek, J., Engelbrecht, K., Mikkelsen, L. P., Pryds, N. Elastocaloric effect of Ni-Ti wire for application in a cooling device. J. Appl. Phys. 117 (12), 124901 (2015).
  15. Zarnetta, R., Takahashi, R., et al. Identification of Quaternary Shape Memory Alloys with Near-Zero Thermal Hysteresis and Unprecedented Functional Stability. Adv. Funct. Mater. 20 (12), 1917-1923 (2010).
  16. Schmidt, M., Ullrich, J., et al. Thermal Stabilization of NiTiCuV Shape Memory Alloys: Observations During Elastocaloric Training. Shape Mem. Superelasticity. , (2015).
  17. Höhne, G., Hemminger, W., Flammersheim, H. -. J. . Differential Scanning Calorimetry. , (2003).
  18. Heintze, O., Seelecke, S. A coupled thermomechanical model for shape memory alloys-From single crystal to polycrystal. Mater. Sci. Eng. A. 481-482, 389-394 (2008).
  19. Furst, S. J., Crews, J. H., Seelecke, S. Numerical and experimental analysis of inhomogeneities in SMA wires induced by thermal boundary conditions. Contin. Mech. Thermodyn. 24 (4-6), 485-504 (2012).
  20. Shaw, J., Kyriakides, S. Thermomechanical aspects of NiTi. J. Mech. Phys. Solids. 43 (8), 1243-1281 (1995).
  21. Schmidt, M., Schütze, A., Seelecke, S. Cooling Efficiencies of a NiTi-Based Cooling Process. , (2013).
  22. Achenbach, M., Müller, I. A MODEL FOR SHAPE MEMORY. . Le J. Phys. Colloq. 43 (C4), 163-167 (1982).
  23. Müller, I., Seelecke, S. Thermodynamic aspects of shape memory alloys. Math. Comput. Model. 34 (12-13), 1307-1355 (2001).
  24. Ullrich, J., Schmidt, M., et al. Experimental Investigation and Numerical Simulation of the Mechanical and Thermal Behavior of a Superelastic Shape Memory Alloy Beam During Bending. , (2014).
  25. Bechtold, C., Chluba, C., Lima de Miranda, R., Quandt, E. High cyclic stability of the elastocaloric effect in sputtered TiNiCu shape memory films. Appl. Phys. Lett. 101 (9), 091903 (2012).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Explore More Articles

111ElastocaloricThermomechanically

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Privacy

Terms of Use

Policies

Contact Us

Recommend to library

JoVE NEWSLETTERS

Research

Education

Authors

Librarians

ABOUT JoVE

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved