Metodi sperimentali per le indagini di memoria di forma a base processi di raffreddamento Elastocaloric e validazione del modello

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

Shape Memory Alloys (SMA) con processi di raffreddamento elastocaloric hanno il potenziale per essere un'alternativa ecologica al processo di raffreddamento in base a compressione di vapore convenzionale. sistemi di leghe nichel-titanio (Ni-Ti) sulla base, in particolare, mostrano grandi effetti elastocaloric. Inoltre, presentano grandi calori latenti che è una proprietà del materiale necessario per lo sviluppo di un processo di raffreddamento in base allo stato solido efficiente. Un banco di prova scientifica è stato progettato per indagare questi processi e gli effetti elastocaloric in SMA. Il dispositivo di prova realizzata permette il controllo indipendente di cicli di carico e scarico meccaniche di un SMA, così come il trasferimento di calore conduttivo tra elementi di raffreddamento SMA e una fonte di calore / lavandino. Il dispositivo di prova è equipaggiato con un sistema di monitoraggio completo capace di misurazioni sincronizzate di parametri meccanici e termici. Oltre a determinare il lavoro meccanico processo-dipendente, il sistema consente anche MISUREt aspetti calorici termiche del effetto di raffreddamento elastocaloric attraverso l'uso di una telecamera a infrarossi ad alte prestazioni. Questa combinazione è di particolare interesse, perché permette illustrazioni di localizzazione e di tasso effetti – sia importante per il trasferimento di calore efficiente dal mezzo da raffreddare.

Il lavoro presentato descrive un metodo sperimentale per identificare le proprietà dei materiali elastocaloric in diversi materiali e geometrie del campione. Inoltre, il dispositivo di prova viene utilizzato per studiare diverse variazioni di processo di raffreddamento. I metodi di analisi introdotti consentono una considerazione differenziata di materiale, di processo e relativi condizione al contorno influenze sulla efficienza del processo. Il confronto dei dati sperimentali con i risultati della simulazione (di un modello elementi finiti termomeccanica accoppiato) consente una migliore comprensione della fisica di base dell'effetto elastocaloric. Inoltre, i risultati sperimentali, così come le conclusioni based sui risultati della simulazione, sono utilizzati per migliorare le proprietà del materiale.

Introduction

processi di raffreddamento a stato solido basate su materiali ferroic hanno il potenziale per essere alternative a basso impatto ambientale al processo in base a compressione di vapore convenzionale. Materiali ferroic possono presentare effetti magnetocalorico, electrocaloric e elastocaloric ^{1, 2,} così come combinazioni di questi effetti, che sono descritti come un comportamento materiale multicaloric ^3. I diversi effetti calorico nei materiali ferroic sono attualmente in fase di studio come parte del tedesco Science Foundation (DFG) programma di priorità SPP 1599 "calorico effetti in materiali ferroic: nuovi concetti per raffreddamento" ^4. Shape Memory Alloys (SMA), che sono indagati nell'ambito di questo programma mostra grandi effetti elastocaloric, in particolare le leghe a base di Ni-Ti a causa delle loro grandi calori latenti ^5. La fase di trasformazione deformazione indotta ad alte velocità di deformazione comporta variazioni significative di temperatura della SMA, come mostrato in Figura 1. Iladiabatica, esotermica fase di trasformazione da austenite in martensite aumenta la temperatura SMA. La trasformazione endotermico da martensite ad austenite porta ad una significativa diminuzione di temperatura. Queste proprietà del materiale elastocaloric possono essere utilizzati per i processi di raffreddamento a stato solido applicando un opportuno ciclo di carico e scarico meccanico. La Figura 2 mostra un tipico ciclo di raffreddamento elastocaloric, seguendo il ciclo Brayton. Il trasferimento di calore tra la fonte di calore e il freddo, scaricato SMA avvenire a bassi livelli di temperatura. Nella fase successiva, la SMA è in uno stato senza contatto e il digiuno, carico adiabatica porta ad un aumento di temperatura significativa della SMA. Il trasferimento di calore successiva tra il caldo SMA e l'adozione posto dissipatore di calore a parità di sforzo della SMA. Al completamento del trasferimento di calore, veloce, scarico adiabatica porta ad una significativa diminuzione della temperatura del SMA sotto della temperatura della sorgente di calore, al che il successivo raffreddamento cycle e il trasferimento di calore con la fonte di calore può iniziare. L'efficienza del processo di raffreddamento elastocaloric dipende dal lavoro meccanico richiesto e il calore assorbito.

Innanzitutto, gli esperimenti di controllo del campo di temperatura durante le prove di trazione sono stati eseguiti da Shaw et al. ^{6, 7,} con l'obiettivo di studiare la formazione di picchi di temperatura locali durante le prove di trazione di strisce SMA e fili a velocità diverse. Il metodo sperimentale applicato combinato la misurazione dei parametri meccanici (stress, fatica ed velocità di deformazione) con acquisizione simultanea di campi di temperatura per mezzo di misurazioni termografiche. Durante il carico e lo scarico di un campione SMA con un apparecchio di trazione, un infrarossi (IR) fotocamera è stato usato per acquisire immagini IR del campione SMA. Questa tecnica permette l'indagine della velocità di deformazione formazione dipendente di picchi di temperatura. La misurazione della distribuzione della temperatura sullacampione è molto importante per lo studio degli effetti elastocaloric e la determinazione delle proprietà di raffreddamento del materiale. Una misurazione temperatura locale – applicando una misura di temperatura di contatto – non è sufficiente per caratterizzare le proprietà di raffreddamento del materiale. Una misurazione del campo di temperatura è stato utilizzato anche da Cui et al. ⁸ per lo studio degli effetti elastocaloric a fili Ni-Ti. Inoltre, Ossmer et al. ^{9, 10} ha dimostrato che le misure di temperatura termografiche sono adatti anche per l'indagine degli effetti elastocaloric in Ni-Ti film sottili a base, che ha richiesto alti frame rate della telecamera a infrarossi per l'indagine delle trasformazioni di fase adiabatiche ad alta tensione aliquote. Questa tecnica permette la ricerca di quantitativi elastocaloric e l'omogeneità del profilo di temperatura, che ha una notevole influenza sul trasferimento di calore a stato solido basato eefficienza dei processi elastocaloric.

L'efficienza di raffreddamento del materiale può essere determinata calcolando il lavoro richiesto in base alle misurazioni sforzo / deformazione e il calore (che può essere determinata tenendo conto della variazione di temperatura e la capacità termica del materiale). Tuttavia, il metodo sperimentale non consente l'indagine del materiale elastocaloric sotto condizione di processo. Questo comprende il trasferimento di calore tra il SMA e una fonte di calore, che ha una notevole influenza sulla efficienza l'effetto di raffreddamento.

La caratterizzazione dei materiali di condizioni di processo di raffreddamento e lo studio dei processi di raffreddamento elastocaloric richiedono un banco di prova che consente il trasferimento di calore in base a stato solido, che non può essere indagato da qualsiasi sistema commerciale esistente. A tal fine, una piattaforma di prova romanzo è stato sviluppato. Il dispositivo di prova è impostato in due livelli, come illustrato nella figura 3. La uppeLivello r consente base caratterizzazione dei materiali elastocaloric e procedure di formazione iniziale, simile al metodo precedentemente descritto (vedere Figura 4). La configurazione è dotata di un azionamento diretto lineari in grado di carico e scarico del SMA a velocità di deformazione fino a 1 sec ^-1 (vedi Figura 5). L'azionamento lineare diretto consente l'indagine di campioni con sezione di 1,8 mm ^2, mentre la tipica lunghezza del campione è di 90 mm. Il vantaggio di un azionamento lineare diretto è l'alta velocità e alta accelerazione – in contrasto con viti a ricircolo di sfere che sono tipicamente utilizzati per prove di trazione. Inoltre, una cella di carico, così come il sistema di misura di posizione integrato dell'attuatore lineare, fornisce dati di misura meccanici. Una telecamera IR ad alta risoluzione (1.280 x 1.024 pixel) è utilizzato per misurare il profilo di temperatura del SMA con fino a 400 Hz (nel campo di temperatura richiesto). L'uso di una lente microscopio con una resoluzione di 15 micron / pixel consente l'indagine degli effetti locali di temperatura. Il livello più basso del dispositivo di prova contiene un meccanismo che permette di alternanza trasferimento di calore conduttivo tra la SMA e il lavandino source / di calore di calore (vedi figure 6 e 7). L'azionamento diretto lineare nel livello più basso si alterna tra la fonte di calore alla SMA e dalla SMA al dissipatore di calore, mentre un pneumatico ascensori cilindro e abbassa la fonte di calore / lavandino (vedi Figura 8). Ogni attuatore può essere controllato indipendentemente consentendo indagine diverse variazioni di processo di raffreddamento. Il sistema di misurazione completo consente misurazioni dei parametri meccanici: posizione dell'attuatore, velocità attuatore, SMA forza di carico, la forza di contatto tra SMA e la fonte di calore / dissipatore durante il trasferimento di calore così come i parametri termici (ad esempio, le temperature all'interno del / lavandino, distribuzione di temperatura fonte di calore sulla superficie della SMA e la fonte di calore / sinK). Una descrizione più dettagliata della piattaforma di prova scientifica figura Schmidt et al. ^11.

Figura 5. Schema del livello superiore del dispositivo di prova Un azionamento diretto lineare per il carico e lo scarico del campione SMA con sistema di misura di posizione integrato.; una cella di carico per la misurazione di forze di trazione, così come una telecamera IR ad alta risoluzione (1.280 x 1.024 pixel) per acquisizioni profilo di temperatura.

Figura 7. Schema di livello inferiore del dispositivo di prova Un azionamento diretto lineare per il passaggio tra dissipatore di calore e fonti di calore.; un cilindro pneumatico di entrare in contatto tra il campione SMA e la fonte di calore / dissipatore; sensori di temperatura sono stati integrati nel dissipatore di calore / source per misurare la temperatura interna dei blocchi. Una cella di carico di compressione per misurare la forza di contatto tra la SMA e la fonte di calore / lavello è integrato nel meccanismo di trasferimento di calore e non visibile in questo schema.

Il banco di prova consente la ricerca di diverse composizioni in lega e le dimensioni del campione e geometrie (nastri, fili). Inoltre, la configurazione consente indagini complete di materiali elastocaloric e processi di raffreddamento. Gli esperimenti descritti in precedenza possono essere eseguite e l'esecuzione saranno descritte passo-passo nella sezione del protocollo di questo manoscritto.

Stabilizzazione Materiale:

comportamento del materiale stabile è importante per l'uso di materiali elastocaloric nei sistemi di raffreddamento. A tal fine, viene applicata una procedura di stabilizzazione meccanica. Durante questa procedura il materiale passa cicli di carico e scarico meccaniche ed esegue una fasetrasformazione da austenite a martensite. La stabilizzazione materiale mostra una forte dipendenza tasso. tassi di carico alti portano ad una variazione di temperatura del materiale, che è causata dal calore latente di trasformazione di fase. Questa variazione di temperatura ha un'influenza simile sulla stabilizzazione materiale, così come cicli di formazione meccaniche a varie temperature ^12-15. Oltre al noto meccanica stabilizzazione ¹³ e ¹⁶ calorica, una stabilizzazione materiale termico può essere osservato con la configurazione progettata applicando termografia ^17.

Caratterizzazione dei materiali:

Dopo una procedura iniziale di formazione meccanica, il materiale presenta comportamento meccanico, termico e calorico stabile permettendo le proprietà del materiale elastocaloric per essere caratterizzati. Pertanto, il ciclismo meccanica a diverse velocità avviene che, in contrasto con il procedimento di formazione, il elastocCaratterizzazione aloric comprende una fase di tenuta dopo il carico e lo scarico. Per tutta la durata della fase di mantenimento del ceppo SMA viene mantenuta costante fino al ripristino di un livello di temperatura ambiente. Questo tipo di esperimento è necessaria al fine di determinare la temperatura più basso ottenibile dopo lo scarico, partendo da livelli di temperatura, nonché l'efficienza dei materiali. Tasso di formazione dipendente di picchi di temperatura locale può essere osservato, con tassi più elevati che portano ad una distribuzione della temperatura sempre più omogeneo. Inoltre, aumentando la velocità di deformazione la variazione di temperatura aumenta ugualmente fino a ottenimento di condizioni adiabatiche. L'efficienza materiale può essere determinata calcolando il lavoro richiesto meccanico, basato su un diagramma forza-spostamento di un esperimento adiabatica, così come il calore assorbibile, sulla base della variazione di temperatura media del materiale durante lo scarico e la capacità termica del campione .

Elastocprocesso di raffreddamento aloric:

L'indagine della efficienza di raffreddamento delle SMA in condizioni di processo richiede il trasferimento di calore tra il mezzo SMA raffreddamento e una fonte di calore, così come un dissipatore di calore. A questo scopo, la SMA è in contatto con una sorgente di calore a stato solido (dopo lo scarico adiabatica) e un dissipatore di calore (carico successivo adiabatica). L'efficienza del processo dipende fortemente dal controllo di processo e le condizioni al contorno termiche. L'indagine globale del processo di raffreddamento richiede una variazione dei parametri di controllo per determinare il controllo di processo più efficiente. L'influenza individuale dei parametri (tempo di contatto, SMA ceppo, SMA velocità di deformazione, fase di contatto (contatto durante il carico / scarico di fase o in seguito) e forza di contatto) sulle prestazioni processo deve essere indagato. Inoltre, l'influenza del cambiamento condizione al contorno termica aumentando il numero di cicli di raffreddamento deveessere presi in considerazione.

Validazione del modello:

Lo sviluppo di un modello di materiale termomeccanica accoppiato, in grado di riprodurre il comportamento del materiale meccanico e termico durante il ciclo di raffreddamento, è essenziale per lo sviluppo di una tecnologia di raffreddamento romanzo. Il modello consente per il materiale e l'ottimizzazione dei processi con ridotto sforzo sperimentale e materiale di sviluppo. La validazione richiede una prova iniziale trazione isoterma di un materiale stabilizzato per generare i dati di input materiali meccanici richiesti (modulo elastico del austenite e la fase martensite, la larghezza della isteresi meccanica così come il ceppo trasformazione). La validazione del modello avviene sulla base di prove di trazione a velocità diverse. I dati di ingresso caloriche necessarie per il modello può essere determinato mediante calorimetria differenziale a scansione (DSC) seguendo le esperimenti meccanici. Le misurazioni DSC devono essere eseguiti after la prova meccanica al fine di misurare le proprietà del materiale calorico di un campione stabilizzato.

Protocol

Preparazione 1. Esempio Misurare il nastro SMA con pinze e determinare la sezione trasversale del campione. Preparare il campione per misure IR rivestendo il nastro con un sottile strato di alta emissività (ε = 0,96) vernice. Attenzione: La vernice è classificato come irritante. Guanti, occhiali di sicurezza e di protezione della bocca devono essere indossati durante l'elaborazione della vernice. 2. Materiale Stabilizzazione (Formazione) <p c…

Representative Results

La stabilizzazione del materiale (Formazione): La figura 9 mostra uno schema sforzo / deformazione di 50 cicli di formazione. Il campione analizzato è un nastro di Ni-Ti con una sezione trasversale di un = 1.45 mm 2. La velocità di deformazione applicata di 1 x 10 -3 sec -1 porta ad un aumento della temperatura media di DT = 12.2 K. L'aumento della temper…

Discussion

Il banco di prova scientifica presentata permette un'indagine completa dei materiali e dei processi di raffreddamento elastocaloric effettuando gli esperimenti descritti nella sezione del protocollo. allineamento preciso del campione prima bloccaggio è cruciale per tutti gli esperimenti. Bad allineamento può potenzialmente portare al fallimento del materiale in anticipo. Inoltre, la massima applicata ceppo ha notevole influenza sulla vita materiale, mentre il ceppo necessaria per raggiungere una trasformazione di …

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