שיטות ניסיוניות לחקירות זיכרון צורה Elastocaloric בהתבסס תהליכי קירור ותיקוף דגם

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.

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.

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. מדוד את סרט SMA עם מחוגה ולקבוע את החתך של המדגם. הכן את המדגם עבור מדידות IR על ידי ציפוי הסרט עם שכבה דקה של emissivity הגבוהה (ε = 0.96) צבע. זהירות: הצבע מוג?…

Representative Results

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?…

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