基于形状记忆调查Elastocaloric冷却过程和模型验证实验方法

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

使用elastocaloric冷却过程必须是环境友好的替代传统的蒸汽压缩基于冷却过程中的潜在的形状记忆合金（SMA）。基于镍钛（镍钛）合金体系，特别是显示大elastocaloric影响。此外，表现出大的潜热是一种有效的基于固态的冷却过程的发展的必要的材料特性。一个科学试验装置已被设计为调查这些进程和形状记忆合金的elastocaloric影响。实现的测试​​装备使一个SMA的机械装卸循环的独立控制，以及SMA冷却元件和热源/散热器之间的热传导。该试验台配有能够机械和热工参数同步测量的综合监测体系。除了确定从属进程机械工作中，该系统还可以使measuremen的通过使用一个高性能的红外照相机的elastocaloric冷却效果热热量方面吨。这个组合是特别感兴趣的，因为它允许的定位和速度的影响的插图 – 待冷却用于从介质高效的热传递都重要。

提出的工作描述的实验方法，以确定在不同的材料和样品的几何形状elastocaloric材料特性。此外，试验台被用于研究不同的冷却过程的变化。引进的分析方法使材料，工艺的差异化的考虑和相关的边界条件影响的处理效率。与模拟结果（一热机械耦合有限元模型的）实验数据的比较可以更好地了解elastocaloric效果的基本物理学。此外，实验结果，以及在发现巴sed的模拟结果，被用来改善材料性能。

Introduction

基于铁性材料的固态冷却过程有潜力成为环境友好型替代传统的蒸汽压缩化进程。铁性材料可显示出磁，electrocaloric和elastocaloric效果^1，2，以及这些影响，它们被描述为multicaloric材料行为³组合。中铁性材料的不同热量的影响目前正在调查作为德国科学基金会（DFG）优先计划SPP 1599的一部分“的铁性材料热量影响：对冷却新概念^”4。形状记忆合金（SMA），这是该计划中调查，由于其较大的潜热⁵大展示效果elastocaloric，尤其是镍钛基合金。在高应变率下的应变诱发相变导致的SMA显著的温度变化，如在图1中所示。在从奥氏体绝热，放热相转变为马氏体增加SMA温度。从马氏体吸热转变为奥氏体导致一个显著温度下降。这些elastocaloric材料特性可用于固态通过施加合适的机械装卸循环冷却过程; 图2显示了一个典型elastocaloric冷却循环中，Brayton循环以下。在热源和冷之间的热传递，卸SMA发生在较低的温度水平。在下一阶段，将SMA处于无接触状态和快速，绝热加载导致SMA的显著温度上升。在SMA的恒应变热SMA和散热器之间发生后续的热传递。在传热完成后，快速，绝热卸载导致下面的热源的温度在SMA的显著温度下降，于是下一个冷却Çycle和与热源可以开始传热。该elastocaloric冷却过程的效率取决于所要求的机械加工和吸收的热量。

首先，实验期间拉伸试验监测温度场通过Shaw 等人^6,7进行，目的是调查的局部温度峰值期间以不同的速率的SMA条和电线的拉伸试验的形成。应用实验方法，通过热成像测量手段相结合的机械参数（应力，应变和应变率）与同时采集温度场的测量。期间的SMA样品用拉力试验机的装卸，红外（IR）照相机被用来获取在SMA样品的红外图像。这种方法使应变率相关地层温度峰的调查。上的温度分布的测量样品为的elastocaloric影响调查和材料的冷却性能的测定非常重要的。当地温度测量 – 通过施加接触温度测量 – 是不是为了表征材料的冷却性能就足够了。温度场的测量也使用了崔等人 ⁸的镍钛丝elastocaloric影响的研究。此外，Ossmer 等 ^9,10表明热成像的温度测量也适用于基于薄膜在镍-钛elastocaloric影响进行调查，其所需的IR照相机的高帧率绝热相变的在高应变的调查率。这个技术允许elastocaloric量的调查和温度分布的均匀性，这对基于固态传热和一个显著影响elastocaloric流程效率。

该材料的冷却效率可以通过计算基于所述应力/应变测量以及热（它可被确定考虑到温度变化和材料的热容量）所需的工作来确定。然而，实验方法无法使elastocaloric材料的工艺条件下进行调查。这包括SMA和一个热源，它具有上的冷却效果的效率一显著影响之间的热传递。

的冷却过程中的条件的材料特性和elastocaloric冷却过程的调查需要测试装备使基于固态的热传递，这是不能由任何现有的商用系统进行调查。为此，一种新的测试平台已经研制成功。测试装备设置在两个级别， 如图3的UPPEr级别允许基本elastocaloric材料特性和初始训练程序，类似于先前描述的方法（参见图4）。设置装有能够装载的线性直接驱动，并在应变速率卸SMA高达1秒^-1（参见图5）。线性直接驱动使样品与最多至1.8mm ²的横截面的调查，而典型的样品长度为90毫米。线性直接驱动的优点是高的速度和高的加速度 – 相反其通常用于拉伸试验滚珠丝杠驱动器。另外，一个负载传感器，以及所述线性驱动器的集成的位置测量系统，提供机械测量数据。高分辨率红外照相机（1280×1024个像素）被用于测量的SMA高达400赫兹的温度分布（在所要求的温度范围内）。显微镜透镜的与资源的使用15微米/像素的olution使局部温度影响的调查。测试装备的较低级别包含一种机制，允许对交替SMA和热源/散热器之间的热传导（ 见图6和7）。在较低的水平线性直接驱动热源向SMA之间，并从SMA到散热器开关，而气压缸升降机和降低热源/散热器（请参阅图8）。每个致动器可以独立控制允许​​不同的冷却过程变化的调查。综合测量系统使力学参数测量：执行器的位置，致动器速度，SMA装逼，SMA和热源/热传递过程中片之间的接触力以及热参数（ 即温度热源/汇，温度分布内在SMA的表面与热源/罪上K）。科学检测平台的更详细的描述在Schmidt 等 ¹¹中给出。

图5.方案的试验台的上水平的用于装载和具有集成位置测量系统在SMA样品卸线性直接驱动。对于拉伸力测量的测力传感器，以及用于温度分布收购高分辨率红外照相机（1280×1024像素）。

图7.方案测试装备的较低级别的线性直接驱动为散热器和热源之间切换。气压缸使SMA样品和热源/散热器之间的接触;温度传感器已经被集成在散热片/苏RCE测量块的核心温度。用于测量SMA和热源之间的接触力的压缩负载单元/汇集成在传热机理和在该方案中不可见。

该试验台允许不同的合金成分和样本的大小以及几何形状（薄带，电线）的调查。此外，设置使elastocaloric材料和冷却过程的全面调查。先前描述的实验可以进行和执行将要描述的一步一步在该手稿的协议部分。

材质稳定：

稳定的物质的行为是在冷却系统中使用elastocaloric材料是重要的。为此，一个机械稳定过程被应用。在此过程中的材料通过机械装卸周期，并执行相从奥氏体转变为马氏体。该材料的稳定表现出强烈的率相关。高负荷率导致材料，这是由相变的潜热引起的温度变化。此温度变化对材料稳定化的类似的影响，如在各种温度下^12-15做机械训练周期。除了 ​​众所周知的机械¹³和热量¹⁶稳定，热材料稳定化，可以与设计的设置通过施加热成像¹⁷观察到。

材料特性：

初始机械训练过程后，该材料示出了稳定的机械，热和热行为允许elastocaloric材料性质来表征。因此，而进行以不同的速率机械循环，与此相反的训练过程中，elastocaloric表征包括装卸后持有阶段。为保持阶段的持续时间，直到再次达到环境温度水平将SMA应变保持恒定。这种类型的实验是必需的，以便确定卸，从环境温度的水平，以及所述材料的效率开始后的最低达到温度。的局部温度峰值速率依赖性形成可观察到的，具有较高的速率，导致了越来越均匀的温度分布。此外，通过增加变形速度，温度变化同样会增加，直至绝热条件得以实现。该材料的效率可以通过计算卸货时所需的机械功，基于绝热试验的力 – 位移图中，以及在可吸收的热的，基于所述材料的平均温度的变化和样品的热容量来确定。

Elastocaloric冷却过程：

形状记忆合金的工艺条件下的冷却效率进行调查，需要在SMA冷却介质和热源，以及一个热沉之间的热传递。为了这个目的，在SMA处于与固态热源（以下绝热卸载）和散热器（以下绝热装载）接触。该过程的效率强烈地依赖于过程控制和热边界条件。冷却过程的全面调查要求控制参数的变化，以确定最有效的过程控制。的参数对工艺性能的各个影响（接触时间，SMA应变，SMA应变率，接触相（装载/卸载阶段或以下）和接触力期间接触）具有可查。此外，改变热边界条件，通过增加冷却循环的数目的影响有加以考虑。

模型验证：

一个热机械耦合材料模型，能够再现冷却循环过程中的机械和热材料行为的发展，是一种新型的冷却技术的发展至关重要。该模型允许通过减少实验和材料的开发工作，材料和工艺优化。验证需要一个稳定的材料，以产生所需的机械材料的输入数据（奥氏体的弹性模量和马氏体相，所述机械滞后的宽度以及转化株）的初始温拉伸试验。模型的验证需要的以不同的速率拉伸试验的基础上进行。该模型所需要的热量输入的数据可以通过以下的机械实验差示扫描量热法（DSC）来测定。在DSC测量必须AF执行之三为了测量稳定样品的热量的材料特性的机械测试。

Protocol

1.样品制备测量在SMA丝带与卡钳和确定样品的横截面。 通过用高发射率（ε= 0.96）的涂料薄层涂布色带准备IR测量样品。 注意：该涂料被分类为刺激物。手套，安全眼镜和嘴保护必须油漆的处理期间被磨损。 2.材质稳定（训练） 注：初始机械循环导致了机械和热的材料稳定化。的稳定化效果的调查，以及训练过程本身，需要使…

Representative Results

材质稳定（训练）： 图9示出的50训练周期的应力/应变图。所调查的样品是镍钛丝带与A =1.45毫米2的横截面。 1×10 -3秒的施加应变速率-1导致的ΔT= 12.2 K的温度上升的平均温度上升对稳定化效果的显著影响12- 14;除了 ​​机械稳定，热稳定化可以观察为好。 <stron…

Discussion

所提出的科学试验台能够通过执行该协议部分中描述的实验elastocaloric材料和冷却过程的全面调查。夹紧前的样品的精确对准是对于所有的实验是至关重要的。不良对准有可能导致早期材料失效。此外，最大施加应变对材料寿命显著影响，而所需的应变达到一个完整的相变取决于合金组合物。被调查NiTiCuV合金的转化菌株（参见图10）是显著比图9和图13中所示的…

Materials

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	1280×1024 pixels; Maximum frame rate 3200 Hz
Real-Time Controller	National Instruments	NI CompactRIO-9074	Data acquisiton and control system
Camera varnish	Tetenal	105202