Métodos experimentais para processos de resfriamento Elastocaloric Investigação de Memória de Forma baseada e Validação de Modelo

Resumo

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.

Resumo

Forma Memória Alloys (SMA), utilizando processos de resfriamento elastocaloric têm o potencial para ser uma alternativa ambientalmente amigável para o processo de resfriamento com base de compressão de vapor convencional. sistemas de liga de níquel-titânio (Ni-Ti) com base, principalmente, mostram grandes efeitos elastocaloric. Além disso, apresentam grandes calores latentes que é uma propriedade do material necessário para o desenvolvimento de um processo de arrefecimento à base de estado sólido eficiente. Um equipamento de teste científico foi concebido para investigar esses processos e os efeitos elastocaloric em SMAs. O dispositivo de ensaio realizado permite o controle independente dos ciclos de carga e descarga mecânicas de um SMA, bem como transferência de calor entre elementos de refrigeração SMA e uma fonte de calor / pia. O dispositivo de ensaio é equipado com um sistema de monitoramento abrangente capaz de medições sincronizadas de parâmetros mecânicos e térmicos. Além de determinar a trabalho mecânico dependente do processo, o sistema também permite measurement de aspectos calóricas térmicas do efeito de arrefecimento elastocaloric através da utilização de uma câmara de infravermelhos de alta performance. Esta combinação é de interesse particular, pois permite ilustrações dos efeitos de localização e de taxa de - ambos importantes para a transferência de calor eficiente a partir do meio a ser arrefecido.

O trabalho apresentado descreve um método experimental para identificar as propriedades do material elastocaloric em diferentes materiais e geometrias de amostra. Além disso, o dispositivo de ensaio é usado para investigar diferentes variações do processo de arrefecimento. Os métodos de análise introduzidas permitir uma consideração diferenciada do material, processo e influências condição de fronteira relacionados com a eficiência do processo. A comparação dos dados experimentais com os resultados da simulação (de um modelo de elementos finitos termomecanica- acoplados) permite uma melhor compreensão da física subjacente do efeito elastocaloric. Além disso, os resultados experimentais, como bem como os resultados de based sobre os resultados de simulação, são usados ​​para melhorar as propriedades do material.

Introdução

processos de refrigeração de estado sólido com base em materiais ferroic tem potencial para ser alternativas ambientalmente amigáveis ​​para o processo com base de compressão de vapor convencional. Ferroic materiais podem exibir efeitos magnetocalóricos, electrocaloric elastocaloric e ^{1, 2,} assim como combinações destes efeitos, os quais são descritos como comportamento do material multicaloric ^3. Os efeitos calóricos diferentes em materiais ferroic estão actualmente a ser investigados como parte do German Science Foundation (DFG) programa Priority SPP 1599 "Efeitos calórica em Materiais Ferroic: Novos Conceitos para arrefecimento" ^4. Forma Memória Alloys (SMA), que são investigados no âmbito deste programa mostram grandes efeitos elastocaloric, em particular ligas à base de Ni-Ti, devido às suas grandes calores latentes ^5. A transformação de fase induzida por deformação em altas taxas de deformação conduz a mudanças de temperatura significativas de SMA, tal como mostrado na Figura 1. A, Transformação de fase exotérmica adiabática de austenite em martensite aumenta a temperatura SMA. A transformação endotérmico de martensite para austenite leva a uma diminuição significativa da temperatura. Estas propriedades do material elastocaloric pode ser utilizada para processos de estado sólido de arrefecimento pela aplicação de um ciclo de carga e descarga mecânica adequada. A Figura 2 mostra um ciclo de refrigeração típico elastocaloric, seguindo o ciclo de Brayton. A transferência de calor entre a fonte de calor e o frio, descarregado SMA ocorrem em baixos níveis de temperatura. Na próxima fase, a SMA está em um estado livre de contato e o jejum, o carregamento adiabática leva a um aumento significativo da temperatura da SMA. A transferência de calor subsequente entre a SMA quente e o dissipador de calor ocorrem em tensão constante da SMA. Após a conclusão da transferência de calor, rápido, descarga adiabática leva a uma queda de temperatura significativa da SMA abaixo da temperatura da fonte de calor, após o que o lado de arrefecimento cycle ea transferência de calor com a fonte de calor pode começar. A eficiência do processo de arrefecimento elastocaloric depende do trabalho mecânico necessário e o calor absorvido.

Em primeiro lugar, as experiências de monitoramento no campo de temperatura durante ensaios de tração foram realizados por Shaw et al. ^{6, 7,} com o objetivo de investigar a formação de picos de temperatura locais durante os testes de tração de tiras SMA e fios em taxas diferentes. O método experimental aplicado combinado a medição dos parâmetros mecânicos (stress, tensão e taxa de deformação), com aquisição simultânea de campos de temperatura por meio de medições termográficas. Durante a carga e descarga de um espécime SMA com uma máquina de ensaio à tracção, uma ligação por infravermelhos (IR) da câmara foi usada para adquirir imagens de infravermelhos da amostra SMA. Esta técnica permite a investigação da formação depende da taxa de deformação de picos de temperatura. A medição da distribuição de temperatura sobre oamostra é muito importante para a investigação dos efeitos elastocaloric e a determinação das propriedades de arrefecimento do material. Uma medição da temperatura local - por aplicação de uma medição da temperatura de contacto - não é suficiente, a fim de caracterizar as propriedades de arrefecimento do material. A medição do campo de temperatura também foi usada por Cui et al. ⁸ para o estudo dos efeitos elastocaloric em fios Ni-Ti. Além disso, Ossmer et al. ^{9, 10} mostraram que as medições de temperatura termográficas também são adequados para a investigação dos efeitos elastocaloric em Ni-Ti baseados filmes finos, o que exigia altas taxas de quadros da câmera IR para a investigação das transformações de fase adiabáticas a alta tensão taxas. Esta técnica permite a investigação de quantidades elastocaloric e a homogeneidade do perfil de temperatura, o que tem uma influência significativa sobre a base de estado sólido e a transferência de calora eficiência de processos elastocaloric.

A eficácia de arrefecimento do material pode ser determinada calculando o trabalho necessário com base nas medições de tensão / deformação, assim como o calor (que pode ser determinado tendo em conta a mudança de temperatura e a capacidade térmica do material). No entanto, o método experimental não permite a investigação do material elastocaloric sob condição de processo. Isto inclui uma transferência de calor entre a SMA e uma fonte de calor, o que tem uma influência significativa sobre a eficácia do efeito de arrefecimento.

A caracterização do material de refrigeração condições do processo ea investigação de processos de resfriamento elastocaloric exigem um equipamento de ensaio, permitindo a transferência de calor com base em estado sólido, que não pode ser investigado por qualquer sistema comercial existente. Para este fim, uma nova plataforma de ensaio foi desenvolvido. O equipamento de teste é estabelecido em dois níveis, como mostrado na Figura 3. A uppeR nível permite a caracterização de materiais de base e elastocaloric procedimentos de formação inicial, similar ao método anteriormente descrito (ver Figura 4). A instalação está equipada com uma transmissão directa linear capaz de carregar e descarregar o SMA a taxas de deformação até 1 ^seg-1 (veja a Figura 5). O accionamento directo linear permite a investigação de amostras com uma secção transversal de até 1,8 mm ^2, enquanto que o comprimento de amostra típico é 90 mm. A vantagem de um acionamento direto linear é a alta velocidade ea alta aceleração - em contraste com as unidades do parafuso da esfera, que são normalmente utilizados para ensaios de tração. Além disso, uma célula de carga, bem como o sistema de medição de posição integrado do accionamento linear, fornece os dados de medição mecânicos. Uma câmara de infravermelhos de alta resolução (1280 x 1024 pixels) é utilizado para medir o perfil de temperatura da SMA com até 400 Hz (na gama de temperaturas necessária). O uso de uma lente do microscópio com uma resolução de 15 mm / pixel permite a investigação dos efeitos da temperatura local. O nível mais baixo da plataforma de teste contém um mecanismo que permite a alternância de transferência de calor entre a SMA ea pia fonte de calor / calor (ver figuras 6 e 7). O acionamento direto linear no nível inferior alterna entre a fonte de calor para a SMA e da SMA para o dissipador de calor, enquanto que um elevadores cilindro pneumático e reduz a fonte de calor / pia (ver Figura 8). Cada actuador pode ser controlada independentemente, permitindo a investigação de diferentes variações do processo de arrefecimento. O sistema de medição abrangente permite medições de parâmetros mecânicos: posição do atuador, velocidade do atuador, força de carga SMA, força de contacto entre SMA e fonte de calor / pia durante a transferência de calor, bem como parâmetros térmicos (ou seja, temperaturas dentro da pia, distribuição fonte de calor / temperatura na superfície da SMA e a fonte de calor / sink). Uma descrição mais detalhada da plataforma de teste científico é dada em Schmidt et ai. ^11.

Figura 5. Esquema do nível superior do dispositivo de ensaio A movimentação direta linear para carga e descarga da amostra SMA com sistema de medição de posição integrado.; uma célula de carga para medição de forças de tracção, bem como uma câmara de infravermelhos de alta resolução (1280 x 1024 pixels) para aquisições perfil de temperatura.

Figura 7. Esquema do nível mais baixo do dispositivo de ensaio A movimentação direta linear para alternar entre dissipador de calor e fonte de calor.; um cilindro pneumático para fazer o contato entre a amostra SMA e da fonte de calor / pia; sensores de temperatura foram integrados no dissipador de calor / source para medir a temperatura central dos blocos. Uma célula de carga de compressão para medir a força de contacto entre a SMA e a fonte de calor / dissipador está integrado no mecanismo de transferência de calor e não visível neste esquema.

O dispositivo de ensaio permite a investigação de diferentes composições de liga leve e tamanhos de amostra, bem como geometrias (fitas, fios). Além disso, a configuração permite investigações abrangentes de materiais elastocaloric e processos de refrigeração. As experiências anteriormente descritas pode ser realizada e a execução será descrita passo-a-passo na secção protocolo deste manuscrito.

Estabilização de materiais:

Estável comportamento do material é importante para a utilização de materiais elastocaloric em sistemas de refrigeração. Para este fim, um processo de estabilização mecânica é aplicada. Durante este procedimento, o material passa ciclos de carga e descarga mecânicas e executa uma fasetransformação da austenite em martensite. A estabilização de material mostra uma forte dependência da taxa. taxas de carga mais elevadas conduzem a uma alteração da temperatura do material, que é causada pelo calor latente de transformação de fase. Esta alteração de temperatura tem uma influência semelhante sobre o material de estabilização, assim como os ciclos de formação mecânica ^{de 12-15} a diferentes temperaturas. Além da bem conhecida mecânica ¹³ e ¹⁶ de estabilização calórica, uma estabilização material térmico pode ser observada com a configuração concebida pela aplicação de termografia ^17.

Caracterização de materiais:

Depois de um processo de formação mecânica inicial, o material mostra um comportamento mecânico, térmico e calórica estável permitindo que as propriedades do material elastocaloric para ser caracterizado. Portanto, ciclagem mecânica em taxas diferentes é realizada enquanto que, em contraste com o processo de formação, o elastoccaracterização aloric inclui uma fase de exploração, depois de carga e descarga. Para a duração da fase de exploração da estirpe SMA é mantido constante até que um nível de temperatura ambiente é atingida outra vez. Este tipo de experiência é necessária, a fim de determinar a menor temperatura realizáveis ​​após a descarga, a partir de níveis de temperatura ambiente, bem como a eficiência do material. Taxa de formação dependente de picos de temperatura locais pode ser observado, com taxas mais elevadas conduzem a uma distribuição de temperatura cada vez mais homogénea. Além disso, através do aumento da taxa de deformação a mudança de temperatura aumenta até que igualmente são alcançados condições adiabáticas. A eficiência dos materiais pode ser determinado calculando o trabalho necessário mecânica, com base num diagrama força-deslocamento de um experimento adiabática, bem como o calor absorvível, com base na mudança de temperatura significativo do material durante a descarga e a capacidade de calor da amostra .

Elastocprocesso de resfriamento aloric:

A investigação da eficiência de arrefecimento de LMF sob condições de processo exige a transferência de calor entre o meio de arrefecimento SMA e uma fonte de calor, bem como um dissipador de calor. Para este efeito, a SMA é em contacto com uma fonte de estado sólido de calor (após a descarga adiabática) e um dissipador de calor (carga seguinte adiabática). A eficiência do processo depende fortemente do controlo do processo e as condições de fronteira térmica. A investigação detalhada do processo de arrefecimento requer uma variação dos parâmetros de controlo a fim de determinar o controlo do processo mais eficiente. A influência individual dos parâmetros (tempo de contato, tensão SMA, taxa de deformação SMA, fase de contato (contato durante o carregamento / descarregamento de fase ou seguinte) e força de contato) sobre o desempenho do processo tem de ser investigado. Além disso, a influência das condições de fronteira térmica mudando por aumento do número de ciclos de refrigeração tem deser tidos em conta.

Validação do modelo:

O desenvolvimento de um modelo de material termomecanicamente acoplado, capaz de reproduzir o comportamento do material mecânicos e térmicos durante o ciclo de arrefecimento, é crucial para o desenvolvimento de uma tecnologia de arrefecimento romance. O modelo permite que o material e otimização de processos de redução do esforço de desenvolvimento experimental e material. A validação requer um ensaio de tracção isotérmica inicial de um material estabilizado para gerar os dados de entrada de material mecânica necessária (módulo de elasticidade da austenite e a fase de martensite, a largura da histerese mecânica, bem como a tensão de transformação). A validação do modelo tem lugar na base de ensaios de tracção a taxas diferentes. Os dados de entrada de calorias necessárias para o modelo pode ser determinada por calorimetria de varrimento diferencial (DSC) de acordo com as experiências mecânicas. As medições de DSC têm de ser realizados afTer o ensaio mecânico, a fim de medir as propriedades do material calóricas de uma amostra estabilizada.

Protocolo

Preparação 1. Amostra

1. Medir a fita SMA com compassos de calibre, e determinar a secção transversal da amostra.
2. Preparar a amostra para medições de IR por revestimento da fita com uma camada fina de alta emissividade (ε = 0,96) da pintura.
   Cuidado: A tinta é classificado como um irritante. Luvas, óculos de segurança e protecção da boca deve ser usado durante o processamento da pintura.

2. Estabilização do material (Formação)

Nota: ciclagem mecânica inicial leva a uma estabilização material mecânico e térmico. A investigação do efeito de estabilização, bem como o processo de formação em si, requer o uso do actuador e os sensores montados no nível superior do dispositivo de ensaio, bem como a câmara de infravermelhos.

1. Iniciar o programa controlador do motor e verifique as configurações carregadas. Altere as configurações para o modo de posição e modo de comando. Verifique se o motor está em modo ativo.
2. Set a posição de destino no programa controlador do motor para 0 mm e clique em "operação de permitir o" botão - nesta posição a distância entre os grampos é de 90 mm.
3. Colocar a amostra entre grampos da montagem experimental e usar uma ferramenta de alinhamento especial projetado para alinhar a amostra.
4. Apertar grampos utilizando um auxiliar de montagem de modo a evitar a flexão de carga na célula de carga e a amostra. Use uma chave de torque para apertar os parafusos para garantir uma força de aperto reprodutível (binário de aperto: 20 Nm).
5. Verifique a posição atual do motor e certifique-se de que o motor está na posição de início (0 m).
6. Inicie o software da câmera IR e carregar a calibração para uma lente de 50 milímetros combinado com uma lente de close-up. Escolha um tamanho de imagem de 1280 x 100 pixels e um intervalo de temperatura de -20 ° C a 50 ° C. Posicionar a câmara utilizando a unidade de motor de focagem e confirmar a totalidade da amostra é no campo de visão da câmara.
   Nota: A câmara IR, em Combinação com o sistema de lentes escolhido, tem uma distância focal (f) de 50 mm, uma abertura de f / 2 e uma dimensão mínima de pixel de 60 | iM a uma distância de trabalho de 200 mm.
7. Abra o programa de controlo de formação e material de caracterização e definir os parâmetros de controle (deslocamento, velocidade, tempo de espera, força mínima de taxa de quadro da câmera máximas e, Número de ciclos e).
   1. Definir a posição inicial (0 uM) e escolher a posição do alvo (4,500 mm) de modo a que o material sofre uma transformação de fase completa.
   2. Defina a velocidade de transmissão directa linear (velocidade de carga / descarga) para atender a taxa de deformação desejado. Selecione uma taxa de tensão de 5 x 10 ^-4 (velocidade do atuador de 45 mm / s) ^s-1 para o arrefecimento formação processo relacionado.
      1. Determinar a velocidade de accionamento directo linear (v) com base na taxa de deformação escolhido ( ) E o comprimento inicial da amostra (L ₀₎ de 90 mm, (v = ∙ l ₀₎
   3. Defina o tempo de espera para 0 seg.
   4. Definir o número de ciclos para 1 para o primeiro ciclo, com uma nova amostra.
   5. Defina o nível de força máxima mínimo específico da amostra e para evitar a carga de compressão e sobrecarga de tensão (carga mínima de 1 MPa, carga máxima de 800 MPa).
   6. Escolha uma taxa de aquisição de IR câmera de 50 ms / frame (20 quadros por segundo).
   7. Clique no botão de arranque para carregar as configurações.
8. Abra o software da câmera IR, escolha um nome de arquivo e alocar 5.000 quadros.
   1. Mudar de interno para fonte de disparo externo e iniciar o modo de aquisição de dados.
9. Abra o programa de controle e pressione o botão experimento início.
10. visualização de dados
    1. Uma vez que a experiência está concluída, carregar os dados para o software de processamento de dados e visualizá-lo em termos de força / deslocamento, stress / estirpe, força / tempo e diagramas posição / hora.
    2. Carregar os dados IR para o software da câmera IR e avaliar os perfis de temperatura resolvida no tempo. Definir uma área de medição que cobre a superfície da fita e SMA traçar a temperatura média máxima e mínima da amostra em função do tempo.
11. Repita os passos de 2,6-2,9 até que o material apresenta comportamento mecânico estável e se adaptar a posição de início para compensar deformações residuais.
    1. Após os primeiros 10 ciclos, aumentar o número de ciclos por experiência para 10 e continuar com as experiências até comportamento do material estável é atingido.

3. Caracterização de Materiais

Nota: A caracterização do material requer o uso do actuador e os sensores montados no nível superior do dispositivo de ensaio, bem como a câmara de infravermelhos. Durante o procedimento de caracterização da amostra é carregado e descarregado em taxas diferentes durante a execuçãoPeríodo de detenção após a carga e descarga.

1. Se a fita SMA foi Unclamped eo sistema da plataforma de teste de controle foi desligado após o treinamento, repita os passos 2.1 a 2.6 e prenda novamente a amostra. Se este não era o caso, proceda da seguinte forma.
2. Abra o programa de controlo de formação e material de caracterização e definir os parâmetros de controle (deslocamento, velocidade, mantendo o tempo, o número de ciclos e quadro da câmera de taxa).
   1. Definir a posição inicial para que a amostra está sob carga zero e definir a posição de destino equivalente à posição de destino do treinamento (4.500 m).
   2. Defina a velocidade de transmissão directa linear (velocidade de carga / descarga) para atender a taxa de deformação desejado. Escolha de uma taxa de deformação de 1 x 10 seg ^{-1 -1} (velocidade do actuador de 9,000 uM / seg) que conduz a uma transformação de fase adiabático para amostras com uma secção transversal de 0,75 mm x 1,4 milímetros ou maior.
   3. Defina o tempo de espera até 180 SEC, que é suficiente para que a amostra alcance o nível de temperatura inicial.
      Nota: O tempo de retenção tem de ser verificada depois da experiência calculando um tempo de equilíbrio térmico constante (τ) e um tempo de retenção menor do que 4 x τ tem de ser aumentada antes da experiência seguinte caracterização começa.
   4. Defina o número de ciclos para 1.
   5. Defina o nível de força máxima mínimo específico da amostra e para evitar a carga de compressão e sobrecarga de tensão (carga mínima de 1 MPa, carga máxima de 800 MPa).
   6. Escolha uma taxa de aquisição de IR câmera de 5 ms / frame (200 quadros por segundo).
   7. Clique no botão de arranque para carregar as configurações.
3. Abra o software da câmera IR, escolha um nome de arquivo e alocar 80.000 frames.
   1. Mudar de interno para fonte de disparo externo e iniciar o modo de aquisição de dados.
4. Abra o programa de controle e pressione o botão experimento início.
5. Carregar os dados IR para oIR software da câmera. Plot temperaturas médias em função do tempo de amostra máximo e mínimo. Exportar os dados e calcular o tempo de equilíbrio térmico constante com o software de processamento de dados ^10,11.
6. Adaptar o tempo de retenção, se necessário, com base na constante de tempo de equilibração térmica calculada.
7. Repita os passos 3.2 a 3.5 e variar a velocidade de deformação de 5 x 10 ^-5 seg ^-1 e 1 x 10 ^-1 seg ^-1, bem como a tensão de 2% a uma pressão máxima de 5% (estirpe máximo é equivalente a a tensão máxima durante o treino).
8. Investigação de picos de temperatura locais:
   Nota: O material apresenta um efeito de localização dependentes da taxa do efeito elastocaloric. O estudo cuidadoso desses efeitos requer uma alta resolução especial do perfil de temperatura SMA. Para esta finalidade, a lente da câmara IR tem que ser substituída por uma lente do microscópio. A lente do microscópio tem uma abertura de 3,0, uma ampliação de 1X e um tamanho de pixel de 15iM a uma distância de trabalho de 195 mm.
   1. Desligar a luz, remova todas as fontes de calor a partir do campo de visão da câmera IR e mudar a lente.
   2. Alterar as configurações de calibração de câmera e carregar uma calibração lente do microscópio dentro da faixa de temperatura de 20 ° C a 50 ° C e um tamanho de imagem de 500 x 250 pixels. Use a unidade de motor de focagem para focar a amostra.
   3. Realizar um teste de tração em uma taxa de deformação de 1 x 10 ^-1 seg ^-1 (9.000 mm / s), siga os passos descritos na secção 2: estabilização de materiais.
9. Visualização de dados
   1. Carregar os dados mecânicos no software de processamento de dados e visualizá-lo em termos de força / deslocamento, tensão / deformação, força / tempo e diagramas posição / hora.
   2. Carregar os dados IR para o software da câmera IR e avaliar os perfis de temperatura resolvida no tempo. Definir uma área de medição que cobre a superfície da fita e SMA traçar a média máximo e a temperatura mínima da amostra em função do tempo.

4. Processo de resfriamento Elastocaloric

Nota: A investigação de processos de arrefecimento elastocaloric requer a utilização de actuadores e sensores de nível superior e inferior da configuração, bem como a câmara de infravermelhos. Estas experiências incluem uma variação dos parâmetros de controlo a fim de optimizar o desempenho do processo.

1. Se a fita SMA foi Unclamped eo equipamento de teste foi desligado após a caracterização de materiais, repita os passos 2.1 a 2.5 e prenda novamente a amostra. Se este não era o caso, proceda da seguinte forma.
2. Inicie o software da câmera IR e carregar a calibração para a lente 50 mm com lente de close-up. Escolha um tamanho de imagem de 1280 x 1024 pixels e um intervalo de temperatura de -20 ° C a 50 ° C. Posicione a câmera usando a unidade de foco motorizado e certifique-se de que toda a amostra está no campo de visão da câmera.
   Nota: A câmara de infravermelhos em combinação com o sistema de lentes escolhido tem uma distância focal (f) de 50 mm, uma abertura de f / 2 e uma dimensão mínima de pixel de 60 | iM a uma distância de trabalho de 200 mm.
3. Abra o programa de controle de processos de resfriamento elastocaloric e definir os parâmetros de controle (deslocamento de transmissão linear directa um (nível superior), velocidade de transmissão linear directa um e dois, tempo de contato, força máxima e mínima, a fase de contacto, número de ciclos e câmera taxa de quadros).
   1. Defina a posição de início da transmissão directa linear para SMA carga e descarga, de modo a que a amostra está sob carga zero e definir a posição de destino equivalente à posição de destino do treinamento (4.500 m).
   2. Defina a velocidade (velocidade de carga / descarga) do acionamento direto linear para carga e descarga da SMA para atender a uma velocidade de deformação de 1 x 10 ^-1 seg ^-1 (9.000 mm / s). Defina a velocidade do acionamento direto linear no nível mais baixo da configuração para 100mm / seg.
   3. Defina o tempo de contato a 6 seg.
      Nota: O tempo de contacto determina a duração da transferência de calor e pode ser ajustado para qualquer valor acima de 10 mseg.
   4. Escolha o contato após o modo de carga / descarga.
      Nota: As influências da fase de contacto se a carga e descarga é adiabática (contato depois de carga / descarga) ou combinada com uma transferência de calor para o dissipador de calor / source (contato durante a carga / descarga).
   5. Defina o número de ciclos a 40.
   6. Defina o nível de força máxima mínimo específico da amostra e para evitar a carga de compressão e sobrecarga de tensão (carga mínima de 1 MPa, carga máxima de 800 MPa).
   7. Escolha uma taxa de aquisição de IR câmera de 20 ms / frame (50 quadros por segundo). Clique no botão de arranque para carregar as configurações.
4. Abra o software da câmera IR, escolha um nome de arquivo e alocar 50000 quadros. Mudar de interno para fonte de disparo externo e iniciar o modo de aquisição de dados.
5. Abra o progr controlesou e pressione o botão experimento início.
6. visualização de dados
   1. Uma vez que a experiência está concluída carregar os dados para o software de processamento de dados e visualizar os seguintes dados: força / deslocamento, tensão / deformação, temperatura / tempo (temperatura do dissipador de calor / source), força / tempo, força de contato / hora e posição dos actuadores / tempo linear.
   2. Carregar os dados IR para o software da câmera IR e avaliar os perfis de temperatura resolvida no tempo. Definir três áreas de medição que cobrem a superfície da amostra SMA, bem como a superfície do dissipador de calor e a fonte de calor. Exportar o tempo de dados de temperatura médios, máximos e mínimos resolvidos das áreas de medição definidos e carregá-los no software de processamento de dados.
   3. Visualizar os dados de IV num diagrama de temperatura / tempo.
7. Repita a experiência sob a variação dos parâmetros: tensão, tempo de contato e fase de contacto.

Validação 5. Modelo

Nota: A validação dos modelos de material termo-acopladas mecanicamente requer experimentos que aderiram à estabilização material ou caracterização de materiais. Usar um fio de Ni-Ti, com uma secção transversal de 0,6 mm para realizar as investigações experimentais.

1. Realizar um teste de tração isotérmica a uma velocidade de deformação de 5 x 10 ^-5 s ^-1 e uma cepa de 5%, proceder executando as etapas descritas na Seção 2.
2. Uma vez que a experiência está concluída, carregar os dados para o software de processamento de dados e visualizar a medição de tensão / deformação. Calcular o módulo de elasticidade da austenite e a fase de martensite, a tensão de transformação, assim como a largura da histerese. A função de dados acima mencionados como dados de entrada mecânicas para o modelo ^7.
3. Procede-se ainda ensaios de tracção a taxas de deformação de 1 x 10 ^-4 seg ^-1, 5 x 10 ^-4 seg ^-1, 1 x 10 ^-3 s ^-1, 5 x 10 ^-3 seg ^-1, 1 x 10 ^{~ 2} seg ^-1, 5 x 10 ^{~ 2} seg ^-1, 1 x 10 ^-1 seg ^-1 para gerar dados de validação para o modelo.
4. Se as experiências são cumpridos levar a amostra para fora do sistema de ensaio e efectuar uma medição de varrimento diferencial calorimétrico (DSC) ¹⁸ para determinar as propriedades do material calóricas (calores latentes de transformação de fase e capacidade de calor específico do material) do material estabilizado.
   Nota: As medições DSC fornecer dados de entrada calórica para o modelo acoplado termo-mecânica.
5. Inicie a simulação dos ensaios de tracção descritas no passo 5.3.
   1. Implementar modelo personalizado para as ligas de memória de forma em software de elementos finitos disponíveis comercialmente:
      1. Selecione o nó Geometry e escolha Intervalo para desenhar geometria fio 1D.
      2. Selecione o nó Parâmetros para definir parâmetros do modelo identificados a partir de ensaios mecânicos em steP 5.2.
      3. Botão direito do mouse nó Definições e selecionar as variáveis ​​para criar um nó Variáveis. Selecione o nó Variáveis ​​e definir algoritmo para determinar as probabilidades de transição derivados de termodinâmica estatística ^19.
      4. Selecione Adicionar Física e adicionar Coeficiente Form PDE ou Formulário Geral PDE para definir um conjunto de equações diferenciais parciais unidimensionais descrevem o comportamento da Forma superelastic Memória Liga, compreendendo o balanço impulso estacionário, o equilíbrio da energia interna e equações cinéticas de transformação de fase ²⁰ .
   2. Selecionar valores iniciais sub-nó para ajustar a temperatura inicial do fio para a temperatura ambiente.
      1. Selecione Dirichlet Boundary Condition para prescrever condições de contorno mecânicos para a aplicação de uma tensão seguindo o procedimento experimental descrito no ponto 2, para a cepa-tarifas em stEP 5,3, limitando o deslocamento de uma extremidade do fio e definindo o deslocamento da outra extremidade.
      2. Selecione Dirichlet Boundary Condition para definir condições de contorno térmicas a temperatura constante por causa dos grampos enormes em comparação com o fio fino.
         Nota: As configurações padrão do software de elementos finitos não conduzir a uma solução convergente.
      3. Seleccione sub-nós de Configuração do Solver para modificar as configurações padrão (por exemplo, tolerâncias absolutos e relativos e coeficiente de amortecimento do não-linear, iterativo solver Newton-Raphson) e clique em "Calcular" para executar solver.
6. Análise de dados
   1. Carregar os resultados experimentais e de simulação para o software de análise de dados e visualizar os dados mecânicos e térmicos.
   2. Compare os resultados experimentais e de simulação, respectiva mecânica (estresse / resposta estirpe) e térmica (evolução da temperatura resolvido especial doamostra) comportamento do material.

Resultados

Estabilização de material (Formação):

A Figura 9 mostra um diagrama de tensão / deformação de 50 ciclos de formação. A amostra da investigação é uma fita Ni-Ti, com uma secção transversal de A = 1,45 ^mm2. A taxa de deformação aplicada de 1 x 10 ^-3 s ^-1 conduz a um aumento significativo da temperatura AT = 12,2 K. O aumento da temperatura tem uma...

Discussão

O dispositivo de ensaio científico apresentado permite investigação abrangente de materiais elastocaloric e processos de refrigeração, executando as experiências descritas na seção de protocolo. O alinhamento preciso da amostra antes do pinçamento é crucial para todos os experimentos. Bad alinhamento pode potencialmente levar a falha do material inicial. Além disso, a máxima aplicada estirpe tem uma influência significativa no tempo de vida de material, ao passo que a estirpe necessária para alcançar uma ...

Materiais

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