Méthodes expérimentales pour les enquêtes de la mémoire de forme à base Elastocaloric processus de refroidissement et de validation du modèle

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

Forme Memory Alloys (SMA) en utilisant des procédés de refroidissement elastocaloric ont le potentiel d'être une alternative écologique au processus de refroidissement classique de compression de vapeur sur la base. systèmes d'alliage à base de nickel-titane (Ni-Ti), en particulier, présentent d'importants effets elastocaloric. De plus, présentent de grandes chaleurs latentes qui est une propriété de matériau nécessaire pour le développement d'un processus de refroidissement efficace à solide. Un banc d'essai scientifique a été conçu pour étudier ces processus et les effets elastocaloric en AMF. Le banc d'essai réalisé permet un contrôle indépendant des cycles de chargement et de déchargement mécanique d'un SMA, ainsi que le transfert de chaleur par conduction entre les éléments de refroidissement SMA et une source de chaleur / évier. Le banc d'essai est équipé d'un système de surveillance complet capable de mesures synchronisées des paramètres mécaniques et thermiques. En plus de déterminer le travail mécanique dépendant du processus, le système permet également DE MESUREt des aspects thermiques caloriques de l'effet de refroidissement elastocaloric grâce à l'utilisation d'une caméra infrarouge haute performance. Cette combinaison est particulièrement intéressante, car elle permet à des illustrations de localisation et de taux d'effets – à la fois importants pour le transfert de chaleur efficace du milieu à refroidir.

Le travail présenté décrit une méthode expérimentale pour identifier les propriétés des matériaux elastocaloric dans différents matériaux et géométries échantillon. En outre, le banc d'essai est utilisée pour étudier les différentes variations de processus de refroidissement. Les méthodes d'analyse introduites permettent une considération différenciée des matériaux, processus et l'état limite les influences liées à l'efficacité du processus. La comparaison des données expérimentales avec les résultats de simulation (d'un modèle d'éléments finis thermomécanique couplé) permet une meilleure compréhension de la physique sous-jacentes de l'effet elastocaloric. En outre, les résultats expérimentaux, ainsi que les conclusions based sur les résultats de la simulation, sont utilisés pour améliorer les propriétés du matériau.

Introduction

processus de refroidissement à l'état solide à base de matériaux ferroïques ont le potentiel d'être des alternatives respectueuses de l'environnement au procédé conventionnel à base de compression de vapeur. Matériaux ferroïque peuvent présenter des effets magnétocaloriques, électrocalorique et elastocaloric ^{1, 2,} ainsi que des combinaisons de ces effets, qui sont décrits en tant que matériau multicaloric comportement ^3. Les différents effets caloriques dans les matériaux ferroïques sont actuellement à l'étude dans le cadre de la Fondation allemande pour la science (DFG) Programme prioritaire SPP 1599 " d' effets calorifiques sur ferroïque Matériaux: Nouveaux concepts pour le refroidissement" ^4. Forme Memory Alloys (SMA) qui sont d'une enquête au sein de ce programme montrent de grands effets elastocaloric, en particulier des alliages à base de Ni-Ti en raison de leurs grandes chaleurs latentes ^5. La transformation de phase induite par la contrainte aux vitesses de déformation élevées conduit à des variations de température importantes du SMA, comme représenté sur la figure 1. Laadiabatique exothermique transformation de phase de l'austénite en martensite, la température augmente de SMA. La transformation endothermique de martensite en austénite entraîne une diminution significative de la température. Ces propriétés matérielles elastocaloric peuvent être utilisés pour le refroidissement à l' état ​​solide par application d' un processus de chargement et de déchargement du cycle mécanique approprié. La figure 2 montre un cycle de refroidissement elastocaloric typique, à la suite du cycle de Brayton. Le transfert de chaleur entre la source de chaleur et le froid, déchargé SMA ont lieu à des niveaux de basses températures. Dans la phase suivante, le SMA est dans un état sans contact et le jeûne, le chargement adiabatique conduit à une augmentation significative de la température du SMA. Le transfert thermique ultérieur entre le SMA chaud et le dissipateur de chaleur ont lieu à une déformation constante de la SMA. À l'achèvement du transfert de chaleur, rapide, le déchargement adiabatique conduit à une chute de température significative du SMA en dessous de la température de la source de chaleur, après quoi le refroidissement suivant cycle et le transfert de chaleur avec la source de chaleur peut commencer. L'efficacité du processus de refroidissement elastocaloric dépend du travail mécanique nécessaire et la chaleur absorbée.

Tout d' abord, les expériences de contrôle du champ de température au cours des essais de traction ont été effectués par Shaw et al. , ^{6, 7,} dans le but d'étudier la formation de pics de température locale au cours des essais de traction des rubans et des fils SMA à des vitesses différentes. La méthode expérimentale appliquée combinée de la mesure des paramètres mécaniques (stress, contraintes et la vitesse de déformation) avec acquisition simultanée des champs de température au moyen de mesures thermographiques. Pendant le chargement et le déchargement d'un échantillon SMA avec une machine d'essai de traction, une connexion infrarouge (IR) de la caméra a été utilisé pour l'acquisition d'images infrarouges de l'échantillon de SMA. Cette technique permet l'étude de la formation dépend de la vitesse de déformation des pics de température. La mesure de la répartition de la température sur lal'échantillon est très importante pour l'étude des effets elastocaloric et la détermination des propriétés de refroidissement du matériau. Une mesure de la température locale – par application d'une mesure de la température de mise en contact – est pas suffisant pour caractériser les propriétés de refroidissement du matériau. Une mesure du champ de température est également utilisée par Cui et al. , ⁸ pour l'étude des effets elastocaloric dans les fils Ni-Ti. En outre, Ossmer et al. ^{9, 10} a montré que les mesures de température thermographiques sont également appropriés pour l'étude des effets elastocaloric en Ni-Ti à base de couches minces, qui exigeait des cadences élevées de la caméra IR pour l'étude des transformations de phase adiabatique à haute tension les taux. Cette technique permet l'étude des quantités elastocaloric et l'homogénéité du profil de température, ce qui a une influence significative sur le transfert et la chaleur à l'état solide à baseefficacité des processus elastocaloric.

L'efficacité du refroidissement du matériau peut être déterminé en calculant le travail nécessaire sur la base des mesures de contrainte / déformation, ainsi que la chaleur (qui peut être déterminé en tenant compte de la variation de température et de la capacité thermique du matériau). Cependant, la méthode expérimentale ne permet pas l'enquête de la matière elastocaloric dans des conditions de processus. Cela comprend un transfert de chaleur entre l'AMS et une source de chaleur, ce qui a une influence significative sur l'efficacité de l'effet de refroidissement.

La caractérisation des matériaux de refroidissement des conditions de traitement et l'étude des processus de refroidissement elastocaloric nécessitent un banc d'essai permettant le transfert de chaleur à base de l'état solide, qui ne peut être étudiée par tout système commercial existant. A cette fin, une nouvelle plate-forme d'essai a été mis au point. Le banc d'essai est mis en place sur deux niveaux , comme illustré sur la figure 3. La uppeniveau de r permet la caractérisation de base du matériau elastocaloric et les procédures de formation initiale, similaire à la méthode décrite précédemment (voir Figure 4). L'installation est équipée d'un entraînement direct linéaire capable de charger et décharger le SMA à des vitesses de déformation jusqu'à 1 sec ^-1 (voir Figure 5). L'entraînement direct linéaire permet l'investigation d'échantillons avec une section transversale allant jusqu'à 1,8 mm ^2, tandis que la longueur d'échantillon typique est de 90 mm. L'avantage d'un entraînement direct linéaire est la vitesse élevée et la forte accélération – contrairement à billes de vis à qui sont généralement utilisés pour des essais de traction. En outre, une cellule de charge, ainsi que le système de mesure de position intégré de l'entraînement linéaire, fournit des données de mesure mécaniques. Une caméra infrarouge à haute résolution (1280 x 1024 pixels) est utilisé pour mesurer le profil de température de l'AMS avec un maximum de 400 Hz (dans la plage de température requise). L'utilisation d'un objectif de microscope avec une résolutionolution de 15 um / pixel permet l'étude des effets de la température locale. Le niveau inférieur de la plate – forme de test contient un mécanisme qui permet d'alterner le transfert de chaleur par conduction entre le SMA et le puits de source / de chaleur de chaleur (voir les figures 6 et 7). L'entraînement direct linéaire dans le niveau inférieur passe entre la source de chaleur à la SMA et du SMA au dissipateur de chaleur, tandis qu'un vérin pneumatique ascenseurs et abaisse la source de chaleur / puits (voir figure 8). Chaque actionneur peut être contrôlé de façon indépendante permettant d'enquête sur les différentes variations de processus de refroidissement. Le système complet de mesure permet de mesurer des paramètres mécaniques: position de l' actionneur, la vitesse de l' actionneur, la force de chargement SMA, la force de contact entre SMA et de la source de chaleur / puits pendant le transfert de chaleur ainsi que des paramètres thermiques (ie, les températures à l' intérieur de l' évier, la distribution de la source de chaleur / température sur la surface de l'AMS et la source de chaleur / sink). Une description plus détaillée de la plate – forme de tests scientifiques est donnée dans Schmidt et al. , ^11.

Figure 5. Schéma du niveau supérieur de la plate – forme de test Un entraînement linéaire direct pour le chargement et le déchargement de l'échantillon SMA avec le système de mesure de position intégrée. une cellule de charge pour la mesure des forces de traction, ainsi que d'une caméra infrarouge à haute résolution (1280 x 1024 pixels) pour le profil de température acquisitions.

Figure 7. Schéma du niveau inférieur de la plate – forme de test Un entraînement direct linéaire pour la commutation entre les puits de chaleur et la source de chaleur. un vérin pneumatique pour établir un contact entre l'échantillon SMA et la source de chaleur / puits; capteurs de température ont été intégrés dans le dissipateur de chaleur / source pour mesurer la température au coeur des blocs. Une cellule de compression de charge pour mesurer la force de contact entre l'AMS et la source de chaleur / récepteur est intégré dans le mécanisme de transfert de chaleur et non visible sur ce schéma.

Le banc d'essai permet l'étude des différentes compositions d'alliage et la taille des échantillons, ainsi que des géométries (rubans, fils). Outre, la configuration permet des enquêtes approfondies sur les matériaux elastocaloric et processus de refroidissement. Les expériences décrites précédemment peuvent être réalisées et l'exécution seront décrites étape par étape dans la section de protocole de ce manuscrit.

Stabilisation Matériel:

le comportement du matériau stable est importante pour l'utilisation de matériaux elastocaloric dans les systèmes de refroidissement. A cet effet, un procédé de stabilisation mécanique est appliquée. Au cours de cette procédure, le matériau passe des cycles de chargement et de déchargement mécanique et effectue une phasela transformation d'austénite en martensite. La stabilisation matériau présente une dépendance de fort taux. Des taux élevés de charge conduisent à un changement de température du matériau, qui est causée par la chaleur latente de la transformation de phase. Ce changement de température a une influence similaire sur la stabilisation matériel, comme les cycles de formation mécanique à différentes températures ^12-15. En plus de la célèbre mécanique de stabilisation ¹³ et ¹⁶ calories, une stabilisation de la matière thermique peut être observée avec l'installation conçue par l' application thermographie ^17.

Caractérisation des matériaux:

Après une procédure mécanique de formation initiale, le matériau présente un comportement mécanique, thermique et calorique stable permettant aux propriétés du matériau elastocaloric à caractériser. Par conséquent, le vélo mécanique à des vitesses différentes est réalisée alors que, contrairement à la procédure de formation, le elastocla caractérisation aloric comprend une phase de maintien après le chargement et le déchargement. Pendant toute la durée de la phase de maintien de la souche SMA est maintenue constante jusqu'à un niveau de température ambiante est atteinte à nouveau. Ce type d'expérience est nécessaire afin de déterminer la température la plus basse possible après le déchargement, à partir des niveaux de température ambiante, ainsi que l'efficacité des matériaux. formation dépendant du taux de pics de température locale peut être observée, avec des taux plus élevés conduisant à une distribution de température plus homogène. En outre, en augmentant la vitesse de déformation du changement de température augmente également jusqu'à ce que des conditions adiabatiques sont atteints. L'efficacité matériau peut être déterminée en calculant le travail requis mécanique, sur la base d'un diagramme force-déplacement d'une expérience adiabatique, ainsi que la chaleur résorbable, en fonction de la variation moyenne de la température du matériau pendant le déchargement et la capacité calorifique de l'échantillon .

Elastocprocessus de refroidissement aloric:

L'étude de l'efficacité de refroidissement du SMA dans les conditions opératoires nécessite le transfert de chaleur entre le fluide de refroidissement SMA et une source de chaleur, ainsi qu'un dissipateur de chaleur. A cet effet, le SMA est en contact avec une source à l'état solide de la chaleur (après le déchargement adiabatique) et un dissipateur de chaleur (après le chargement adiabatique). L 'efficacité du processus dépend fortement de la commande de processus et les conditions aux limites thermique. L'enquête approfondie du processus de refroidissement nécessite une variation des paramètres de contrôle afin de déterminer le contrôle du processus le plus efficace. L'influence individuelle des paramètres (temps de contact, la souche SMA, la vitesse de déformation SMA, phase de contact (contact pendant le chargement / déchargement phase ou suivant) et de la force de contact) sur la performance des processus doit être étudié. En outre, l'influence de la condition limite thermique en changeant nombre croissant de cycles de refroidissement doitêtre pris en compte.

Validation du modèle:

Le développement d'un modèle de matériau couplé thermomécaniquement, capable de reproduire le comportement d'un matériau mécanique et thermique au cours du cycle de refroidissement, est crucial pour le développement d'une technologie de refroidissement roman. Le modèle permet pour le matériel et l'optimisation des processus par un effort réduit de développement expérimental et matériel. La validation nécessite un essai de traction isotherme initiale d'un matériau stabilisé pour générer les données d'entrée de matière mécanique requise (module d'élasticité de l'austénite et la phase martensitique, la largeur de l'hystérésis mécanique ainsi que la déformation de transformation). La validation du modèle a lieu sur la base des essais de traction à des taux différents. Les données d'entrée en calories nécessaires pour le modèle peut être déterminé par calorimétrie différentielle à balayage (DSC) suivant les essais mécaniques. Les mesures de DSC doivent être effectuées after l'essai mécanique afin de mesurer les propriétés des matériaux caloriques d'un échantillon stabilisé.

Protocol

Préparation 1. Echantillon Mesurer le ruban SMA avec étriers et de déterminer la section transversale de l'échantillon. Préparer l'échantillon pour la mesure IR par enduction du ruban avec une couche mince de haute émissivité (ε = 0,96), la peinture. Attention: La peinture est classée comme un irritant. Gants, lunettes de sécurité et de protection de la bouche doivent être portés pendant le traitement de la peinture. 2. Matériel d…

Representative Results

Stabilisation des matériaux (Formation): La figure 9 montre un diagramme contrainte / déformation de 50 cycles de formation. L'échantillon étudié est un ruban de Ni-Ti ayant une section transversale A = 1,45 mm 2. Le taux de déformation appliquée de 1 x 10 -3 s -1 conduit à une augmentation de la température moyenne de AT = 12,2 K. L'augmentati…

Discussion

Le banc d'essai scientifique présentée permet une enquête complète de matériaux elastocaloric et processus de refroidissement en effectuant les expériences décrites dans la section de protocole. un alignement précis de l'échantillon avant serrage est crucial pour toutes les expériences. Bad alignement peut potentiellement conduire à une défaillance prématurée du matériau. En outre, la contrainte maximale appliquée a une influence notable sur la durée de vie la matière, alors que la souche requi…

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