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Engineering

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

Published: May 2, 2016 doi: 10.3791/53626
Automatic Translation
1,2, 2, 3, 3, 3, 1, 2
1Lab for Measurement Technology, Saarland University, 2Intelligent Material Systems Lab, Saarland University, 3Lab for Material Science, Ruhr Universität Bochum

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
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
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.

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Protocol

Preparazione 1. Esempio

  1. Misurare il nastro SMA con pinze e determinare la sezione trasversale del campione.
  2. 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)

Nota: cycling meccanico iniziale porta ad una stabilizzazione materiale meccanico e termico. L'indagine dell'effetto stabilizzazione, e la procedura formazione stessa, richiede l'uso dell'attuatore ei sensori montati nel livello superiore del dispositivo di prova e la telecamera IR.

  1. Avviare il programma di controllo del motore e controllare le impostazioni caricate. Modificare le impostazioni di modalità di posizione e la modalità di comando. Verificare il motore è in modalità attiva.
  2. Set la posizione di destinazione nel programma di controllo del motore a 0 micron e cliccare sul pulsante "operazione di abilitazione pulsante" - in questa posizione la distanza tra i morsetti è di 90 mm.
  3. Mettere il campione tra i morsetti del setup sperimentale e utilizzare uno speciale strumento di allineamento volto ad allineare il campione.
  4. Serrare fascette usando un mezzo di fissaggio per evitare carico di flessione sulla cella di carico e campione. Utilizzare una chiave di coppia per il serraggio delle viti per assicurare una forza di serraggio riproducibili (coppia di serraggio: 20 Nm).
  5. Controllare la posizione attuale del motore e fare in modo che il motore è in posizione di partenza (0 micron).
  6. Avviare il software della fotocamera a infrarossi e caricare la calibrazione per un obiettivo 50 millimetri in combinazione con un obiettivo di close-up. Scegliere una dimensione immagine di 1.280 x 100 pixel e una gamma di temperature di -20 ° C a 50 ° C. Posizionare la fotocamera utilizzando l'unità di messa a fuoco motorizzata e confermare l'intero campione è nel campo visivo della telecamera.
    Nota: La telecamera a infrarossi, in combinazionizione con il sistema di lenti prescelto, ha una lunghezza focale (f) di 50 mm, un'apertura di f / 2 e la dimensione minima pixel di 60 micron ad una distanza di lavoro di 200 mm.
  7. Aprire il programma di controllo per la formazione e caratterizzazione dei materiali e impostare i parametri di controllo (spostamento, velocità, tempo di detenzione, massimo e forza minima, numero di cicli e frame rate della fotocamera).
    1. Impostare la posizione iniziale (0 micron) e scegliere la posizione di destinazione (4,500 micron) in modo che il materiale subisce una trasformazione di fase completa.
    2. Impostare la velocità di trasmissione diretta lineare (velocità di carico / scarico) per soddisfare la velocità di deformazione desiderata. Selezionare una velocità di deformazione di 5 x 10 -4 (velocità attuatore di 45 micron / sec) sec -1 per il raffreddamento formazione connesse processo.
      1. Determinare la velocità azionamento diretto lineare (v) in base alla velocità di deformazione prescelto ( epsilon ) E la lunghezza del campione iniziale (l 0) di 90 mm ​​(v = <img alt = src "epsilon" = "/ files / ftp_upload / 53626 / epsilon.jpg" /> ∙ l 0)
    3. Impostare il tempo di mantenimento di 0 sec.
    4. Impostare il numero di cicli a 1 per il primo ciclo con un nuovo campione.
    5. Impostare il livello di massima forza minima specifica-campione e per evitare carico di compressione e di sovraccarico di trazione (carico minimo 1 MPa, carico massimo di 800 MPa).
    6. Scegliere un tasso di IR fotocamera acquisizione di 50 msec / fotogramma (20 fotogrammi al secondo).
    7. Fare clic sul pulsante di avvio per caricare le impostazioni.
  8. Aprire il software della fotocamera a infrarossi, scegliere un nome di file e allocare 5.000 fotogrammi.
    1. Passare da interno a fonte trigger esterno e avviare la modalità di acquisizione dei dati.
  9. Aprire il programma di controllo e premere il pulsante di avvio dell'esperimento.
  10. La visualizzazione dei dati
    1. Una volta che l'esperimento è finito, caricare i dati nel software di elaborazione dei dati e visualizzare in termini di forza / spostamento, stress / ceppo, forza / ora e diagrammi di posizione / ora.
    2. Caricare i dati IR nel software telecamera a infrarossi e valutare i profili di temperatura di tempo risolto. Definire un'area di misurazione che ricopre la superficie del nastro SMA e tracciare la temperatura massima e minima media del campione in funzione del tempo.
  11. Ripetere i passaggi 2,6-2,9 fino a quando il materiale mostra un comportamento meccanico stabile e adattare la posizione di partenza per compensare le tensioni residue.
    1. Dopo i primi 10 cicli, aumentare il numero di cicli per esperimento a 10 e procedere con gli esperimenti fino al raggiungimento comportamento materiale stabile.

3. Materiale Caratterizzazione

Nota: La caratterizzazione materiale richiede l'uso dell'attuatore ei sensori montati nel livello superiore del dispositivo di prova e la telecamera IR. Durante la procedura di caratterizzazione del campione è caricato e scaricato a velocità diverse durante l'esecuzioneun periodo di detenzione dopo il carico e lo scarico.

  1. Se il nastro SMA frattempo sbloccato e il sistema di controllo del dispositivo di prova è stato spento dopo l'allenamento, ripetere i punti da 2.1 a 2.6 e serrare di nuovo il campione. Se questo non era il caso, procedere come segue.
  2. Aprire il programma di controllo per la formazione e caratterizzazione dei materiali e impostare i parametri di controllo (spostamento, velocità, tempo di mantenimento, numero di cicli e telaio fotocamera tasso).
    1. Impostare la posizione di partenza in modo che il campione sia a carico nullo e impostare la posizione di destinazione equivalente alla posizione di destinazione della formazione (4.500 micron).
    2. Impostare la velocità di trasmissione diretta lineare (velocità di carico / scarico) per soddisfare la velocità di deformazione desiderata. Seleziona una velocità di deformazione di 1 x 10 -1 sec -1 (velocità attuatore di 9.000 micron / sec) che porta ad una trasformazione di fase adiabatica per campioni con una sezione trasversale di o superiore 0,75 millimetri x 1.4 mm.
    3. Impostare il tempo di mantenimento di 180 SEc, che è sufficiente per il campione per raggiungere il livello temperatura iniziale.
      Nota: Il tempo di tenuta deve essere verificata dopo l'esperimento calcolando un tempo termica equilibrio costante (τ) e un periodo di durata inferiore a 4 x τ deve essere aumentato prima dell'esperimento successiva caratterizzazione inizia.
    4. Impostare il numero di cicli da 1.
    5. Impostare il livello di massima forza minima specifica-campione e per evitare carico di compressione e di sovraccarico di trazione (carico minimo 1 MPa, carico massimo di 800 MPa).
    6. Scegliere un tasso di IR fotocamera acquisizione di 5 msec / telaio (200 fotogrammi al secondo).
    7. Fare clic sul pulsante di avvio per caricare le impostazioni.
  3. Aprire il software della fotocamera a infrarossi, scegliere un nome di file e allocare 80.000 fotogrammi.
    1. Passare da interno a fonte trigger esterno e avviare la modalità di acquisizione dei dati.
  4. Aprire il programma di controllo e premere il pulsante di avvio dell'esperimento.
  5. Caricare i dati IR nelsoftware della fotocamera a infrarossi. Trama temperature medie vs. tempo massimo e minimo del campione. Esportare i dati e calcolare il tempo di equilibrio termico costante con il software di elaborazione dei dati 10,11.
  6. Adattare il tempo di tenuta, se necessario, in base alla costante di tempo di equilibrazione termica calcolata.
  7. Ripetere i passaggi da 3.2 a 3.5 e variare la velocità di deformazione da 5 x 10 -5 sec -1 a 1 x 10 -1 sec -1, così come il ceppo dal 2% ad un ceppo massimo del 5% (massima deformazione è equivalente a la massima deformazione durante l'allenamento).
  8. Indagine di picchi di temperatura locali:
    Nota: Il materiale presenta un effetto di localizzazione tasso dipendente dell'effetto elastocaloric. Lo studio accurato di questi effetti richiede una risoluzione speciale alta del profilo di temperatura SMA. A questo scopo, l'obiettivo della telecamera IR deve essere sostituita da una lente microscopio. La lente microscopio ha un'apertura di 3,0, un ingrandimento di 1X e dimensioni pixel di 15micron ad una distanza di lavoro di 195 mm.
    1. Spegnere la luce spenta, rimuovere tutte le sorgenti di calore dal campo visivo della telecamera a infrarossi e cambiare la lente.
    2. Modificare le impostazioni di calibrazione della fotocamera e caricare una calibrazione lente del microscopio entro l'intervallo di temperatura di 20 ° C a 50 ° C e una dimensione dell'immagine di 500 x 250 pixel. Utilizzare l'unità messa a fuoco motorizzata per mettere a fuoco il campione.
    3. Eseguire una prova di trazione ad una velocità di deformazione di 1 x 10 -1 sec -1 (9.000 micron / sec), seguire la procedura descritta nella sezione 2: la stabilizzazione dei materiali.
  9. Data Visualization
    1. Caricare i dati meccanici nel software di elaborazione dei dati e visualizzare in termini di forza / spostamento, sforzo / deformazione, forza / ora e diagrammi di posizione / ora.
    2. Caricare i dati IR nel software telecamera a infrarossi e valutare i profili di temperatura di tempo risolto. Definire un'area di misurazione che ricopre la superficie del nastro SMA e tracciare la media maximum e la temperatura minima del campione in funzione del tempo.

4. Processo di raffreddamento Elastocaloric

Nota: La ricerca di processi di raffreddamento elastocaloric richiede l'utilizzo di attuatori e sensori nel livello superiore e inferiore della configurazione e la telecamera IR. Questi esperimenti sono una variazione dei parametri di controllo per ottimizzare le prestazioni del processo.

  1. Se il nastro SMA frattempo sbloccato e il banco di prova è stato spento dopo la caratterizzazione dei materiali, ripetere i punti da 2.1 a 2.5 e serrare di nuovo il campione. Se questo non era il caso, procedere come segue.
  2. Avviare il software della fotocamera a infrarossi e caricare la calibrazione per la lente da 50 mm con lente close-up. Scegliere una dimensione immagine di 1.280 x 1.024 pixel e una gamma di temperature di -20 ° C a 50 ° C. Posizionare la fotocamera utilizzando l'unità di messa a fuoco motorizzata e assicurarsi che l'intero campione è nel campo visivo della telecamera.
    Nota: La telecamera IR in combinazione con il sistema di lenti scelto ha una lunghezza focale (f) di 50 mm, un'apertura di f / 2 e la dimensione minima pixel di 60 micron ad una distanza di lavoro di 200 mm.
  3. Aprire il programma di controllo per processi di raffreddamento elastocaloric e impostare i parametri di controllo (spostamento di azionamento lineare diretto uno (livello superiore), la velocità di azionamento lineare diretto uno e due, il tempo di contatto, la forza massima e minima, fase di contatto, il numero di cicli e macchina fotografica frequenza dei fotogrammi).
    1. Impostare la posizione di inizio della trasmissione diretta lineare per SMA carico e scarico, in modo che il campione sia a carico nullo e impostare la posizione di destinazione equivalente alla posizione target della formazione (4,500 micron).
    2. Impostare la velocità (velocità di carico / scarico) della presa diretta lineare per il carico e lo scarico della SMA incontrare una velocità di deformazione di 1 x 10 -1 sec -1 (9.000 micron / sec). Impostare la velocità della trasmissione diretta lineare nel piano inferiore della configurazione a 100mm / sec.
    3. Impostare il tempo di contatto di 6 sec.
      Nota: Il tempo di contatto determina la durata del trasferimento di calore e può essere impostata su un valore superiore a 10 msec.
    4. Scegliere il contatto dopo modalità di carico / scarico.
      Nota: Le influenze fase di contatto se il carico e lo scarico è adiabatica (contatto dopo il carico / scarico) o in combinazione con un trasferimento di calore al dissipatore / source (contatto durante il carico / scarico).
    5. Impostare il numero di cicli al 40.
    6. Impostare il livello di massima forza minima specifica-campione e per evitare carico di compressione e di sovraccarico di trazione (carico minimo 1 MPa, carico massimo di 800 MPa).
    7. Scegliere un tasso di IR fotocamera acquisizione di 20 msec / fotogramma (50 fotogrammi al secondo). Fare clic sul pulsante di avvio per caricare le impostazioni.
  4. Aprire il software della fotocamera a infrarossi, scegliere un nome di file e allocare 50000 fotogrammi. Passare da interno a fonte trigger esterno e avviare la modalità di acquisizione dei dati.
  5. Aprire il progr di controlloSono e premere il pulsante di avvio dell'esperimento.
  6. La visualizzazione dei dati
    1. Una volta che l'esperimento è finito il carico dei dati nel software di elaborazione dei dati e visualizzare i seguenti dati: forza / spostamento, sforzo / deformazione, temperatura / tempo (temperatura del dissipatore di calore / source), la forza / tempo, forza di contatto / ora e la posizione della attuatori / tempo lineare.
    2. Caricare i dati IR nel software telecamera a infrarossi e valutare i profili di temperatura di tempo risolto. Definire tre aree di misurazione che coprono la superficie del campione SMA così come la superficie del dissipatore di calore e la fonte di calore. Esportare il tempo risolti i dati medi, massimi e minimi di temperatura delle aree di misura definite e caricarli nel software di elaborazione dei dati.
    3. Visualizzare i dati IR in un diagramma temperatura / tempo.
  7. Ripetere l'esperimento sotto variazione dei parametri: ceppo, tempo di contatto e la fase di contatto.

Validazione 5. Modello

  1. Eseguire un test di trazione isotermico ad una velocità di deformazione di 5 x 10 -5 sec -1 e un ceppo di 5%, procedere eseguendo le operazioni descritte nella sezione 2.
  2. Una volta che l'esperimento è finito, caricare i dati nel software di elaborazione dati e visualizzare la misurazione sforzo / deformazione. Calcolare il modulo elastico del austenite e la fase martensite, il ceppo trasformazione e la larghezza della isteresi. La funzione dei dati di cui sopra come dati di input meccanici per il modello 7.
  3. Eseguire ulteriori prove di trazione a velocità di deformazione di 1 x 10 -4 sec -1, 5 x 10 -4 sec -1, 1 x 10 -3 sec -1, 5 x 10 -3 -1, 1 x 10 -2 sec -1, 5 x 10 -2 sec -1, 1 x 10 -1 sec -1 per generare dati di convalida per il modello.
  4. Se gli esperimenti sono completati prendere il campione dal sistema di prova ed eseguire una misura differenziale a scansione calorimetrica (DSC) 18 per determinare le proprietà del materiale calorico (calore latente della trasformazione di fase e calore specifico del materiale) del materiale stabilizzato.
    Nota: Le misurazioni DSC forniscono dati di input calorico per il modello accoppiato termo-meccanico.
  5. Avviare la simulazione delle prove di trazione descritto al punto 5.3.
    1. Implementare modello personalizzato per le leghe a memoria di forma in un software ad elementi finiti disponibile in commercio:
      1. Selezionare il nodo Geometria e scegliere Intervallo di disegnare geometrie filo 1D.
      2. Selezionare i parametri di nodo per definire i parametri del modello identificati da prove meccaniche a Step 5.2.
      3. Fare clic con il nodo Definizioni e selezionare le variabili per creare un nodo Variabili. Selezionare il nodo Variabili e definire algoritmo per determinare le probabilità di transizione derivati ​​dalla termodinamica statistica 19.
      4. Seleziona Aggiungi Fisica e aggiungere Coefficiente Modulo PDE o generali Forma PDE per definire insieme di unidimensionali equazioni alle derivate parziali che descrivono il comportamento di superelastic lega a memoria di forma, costituito dallo stato di moto stazionario, il bilancio di energia interna e equazioni cinetiche di trasformazione di fase 20 .
    2. Selezionare valori iniziali sub-nodo per impostare la temperatura iniziale del filo alla temperatura ambiente.
      1. Selezionare Dirichlet Boundary Condizione di prescrivere condizioni al contorno meccaniche per l'applicazione di un ceppo seguendo la procedura sperimentale descritta nel paragrafo 2, per il ceppo tassi a step 5.3, limitando lo spostamento di una delle estremità del filo e prescrivere lo spostamento dell'altra estremità.
      2. Selezionare Dirichlet Boundary Condizione di fissare condizioni al contorno termiche a temperatura costante a causa dei morsetti di massa rispetto al filo sottile.
        Nota: le impostazioni standard del software ad elementi finiti non portano ad una soluzione convergente.
      3. Selezionare i sotto-nodi di configurazione Risolutore di modificare le impostazioni standard (ad esempio, le tolleranze assolute e relative e coefficiente di smorzamento del non lineare, iterativo di Newton-Raphson solver) e cliccare su "Calcola" per eseguire risolutore.
  6. Analisi dei dati
    1. Caricare i risultati sperimentali e di simulazione nel software di analisi dei dati e visualizzare i dati meccanici e termici.
    2. Confrontare i risultati sperimentali e di simulazione, rispettivi meccanici (/ risposta ceppo di stress) e (speciale evoluzione termica temperatura risolto delcampione) comportamento del materiale.

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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 temperatura ha una significativa influenza sull'effetto di stabilizzazione 12- 14; oltre alla stabilizzazione meccanica, una stabilizzazione termica può essere osservata pure. Film 1 mostra la distribuzione della temperatura sul campione durante i primi tre cicli di formazione, il frame rate è cinque volte superiore come la misurazione in tempo reale. L'esperimento è stato interrotto dopo ogni ciclo e riavviato non appena il campione raggiunge la temperatura ambiente. Una omogeneizzazione dell'effetto elastocaloricsi osserva tuttavia l'intensità dei picchi di temperatura diminuisce di numero di cicli crescenti.

Figura 9

Figura 9. stabilizzazione meccanica di un binario nastro Ni-Ti durante l'allenamento. Diagramma sforzo / deformazione di 50 cicli di formazione di un tasso ceppo di 1 x 10 -3 sec -1.

Caratterizzazione dei materiali:

I risultati di un materiale caratterizzazione elastocaloric di un nastro NiTiCuV (A = 1,07 millimetri 2) sono mostrati in Figura 10. Il / diagramma delle deformazioni stress nella Figura 10 (a) mostra che aumentando velocità di deformazione portano a larghezza crescente isteresi 7, 12, 21 . Questa correlazione è un risultato of la variazione di temperatura durante la trasformazione di fase, che è anche indicato nel diagramma tasso DT-deformazione (Figura 10 (b)). Inoltre, il diagramma mostra che alla velocità di deformazione superiori a 5 x 10 -2 sec -1 vi è alcun ulteriore aumento della variazione di temperatura. Il ristagno del cambiamento di temperatura indica che il limite adiabatica è raggiunto, che può anche essere derivato dalla stagnazione del aumento stress connesso temperatura (mostrato nel diagramma sforzo-deformazione). Inoltre, la piccola deviazione tra la variazione di temperatura media e massima a tassi elevati dimostra che il materiale trasforma quasi omogeneo. Il confronto dei video IR acquisite durante gli esperimenti effettuati a un tasso ceppo di 1 x 10 -3 sec -1 (vedi Movie 2 (carico) e Movie 3 (scarico)) e ad una velocità di deformazione di 1 x 10 -1 sec -1 (vedi Movie 4 (di carico, 10 volte più lento) E Movie 5 (scarico 10 volte più lento)) mostra l'omogeneizzazione dell'effetto elastocaloric aumentando i tassi di deformazione.

Sulla base della caratterizzazione del materiale, l'efficienza del materiale può essere determinato. Il lavoro di un ciclo di carico e scarico adiabatica ad una velocità di deformazione di 1 x 10 -1 sec -1 è equivalente alle aree del diagramma forza-deflessione in Figura 11. L'area rossa mostra il lavoro non recuperabile del isteresi che viene presa in considerazione per la determinazione del coefficiente di prestazione (COP) del materiale. Il calore viene calcolata in base alla variazione di temperatura negativo medio di 20 K e la capacità termica del campione, mentre la capacità termica può essere determinato tenendo in considerazione la capacità termica specifica (cp = 0,46 J / (kg K)), la densità (ρ = 7.340 kg / cm 3) e il volume del campione. Il COP risultante 7 è la quotient di calore assorbito e lavoro meccanico. Un metodo grafico per determinare l'efficienza dei processi di raffreddamento elastocaloric basata sull'analisi termodinamica dei cicli di raffreddamento è descritto nel Schmidt et al. 22

Figura 1o

Figura 10. Caratterizzazione dei materiali. Rate-dipendente diagramma sforzo / deformazione (a) e DT / ceppo schema tasso che indica il cambiamento minimo, massimo e la temperatura media SMA (b) di un nastro NiTiCuV. Il ceppo è stata mantenuta costante per 150 sec dopo il carico e scarico.

Figura 11
Figura 11. Lavoro. Forza / Schema deviazione di un nastro NiTiCuV (A = 1,07 millimetri 2) durante un ciclo di carico e scarico adiabatica. La deflessione è stata mantenuta costante per 150 sec dopo il carico e scarico. Il lavoro è equivalente alle aree nel diagramma mentre il lavoro durante lo scarico potrebbero essere recuperati.

Processo di raffreddamento:

Il diagramma forza di deflessione in Figura 12 (a) mostra il comportamento meccanico del campione NiTiCuV precedentemente caratterizzato durante 40 cicli di raffreddamento. Il tempo di contatto tra la SMA e la fonte di calore / dissipatore è stato fissato a 6 sec e la velocità di deformazione è stato fissato a 1 x 10 -1 sec -1. Il diagramma temperatura-tempo in Figura 12 (b) mostra l'aumento della temperatura del dissipatore di calore e la diminuzione della temperatura della sorgente di calore durante i cicli di raffreddamento 40, che modifica le condizioni al contorno termiche del processo. Inoltre, l'influenza del limite cONDIZIONI alla meccanica e il comportamento del materiale termico possono essere osservati. I video IR (film 6) mostra che aumentando il numero di cicli di variazione di temperatura minima e massima del materiale diminuisce Ciò si riflette anche nella diminuzione della larghezza di isteresi (vedere la Figura 12 (a)). Dopo il primo ciclo, un profilo di temperatura disomogeneo nasce dal fatto che il dissipatore di calore / fonte non contatta l'intero nastro SMA (vedi film 6). La significativa profilo temperatura differente SMA dopo il primo ciclo porta ad una minore deformazione trasformazione nel secondo ciclo (vedi Figura 12 (a)). Il COP del processo dipende fortemente dalla temperatura del dissipatore di calore e la fonte di calore come mostrato in Figura 13. La differenza di temperatura crescente tra dissipatore e la fonte di calore porta ad un COP decrescente, che è legato alla differenza di temperatura decrescente fra la sorgente di calore e the SMA. Il COP è calcolata sulla base del lavoro non recuperabile (vedere Figura 10) e il calore assorbito durante il contatto tra la SMA e la fonte di calore. Il calore assorbito viene determinato tenendo conto della capacità termica del SMA e la variazione di temperatura media del SMA durante il contatto alla fonte di calore. La superficie potenza di raffreddamento per unità di processo mostra una tendenza equivalente (vedere Figura 14). La potenza di raffreddamento per unità di superficie può essere calcolato sulla base del calore assorbito per ciclo, il tempo di ciclo di 13,1 sec e la superficie del campione in contatto con la fonte di calore (8,4 x 10 -6 m 2). Questo esempio di un processo di raffreddamento basato SMA dimostra che il materiale presenta un comportamento diverso in condizioni di processo rispetto alla caratterizzazione dei materiali. Il trasferimento di calore e il controllo di processo influenzare le prestazioni di raffreddamento del materiale e devono essere presi in considerazione per la convalida di elastmateriali ocaloric.

Figura 12
Figura 12. processo di raffreddamento. Diagramma forza / deformazione (a) e della temperatura / diagramma temporale (b) di un processo di raffreddamento 40 cicli con un campione NiTiCuV (A = 1,07 millimetri 2) e un tempo di contatto di 6 sec.

Figura 13
Figura 13. COP del processo di raffreddamento. Un numero crescente di cicli di raffreddamento porta ad un COP decrescente e una differenza di temperatura crescente tra dissipatore e la fonte di calore.

Figura 14
Figura potere 14. raffreddamento del processo. Un crescente numero di cicli di raffreddamento porta ad una diminuzione della cooPotenza ling per unità di superficie e una differenza di temperatura crescente tra dissipatore e la fonte di calore.

Validazione del modello:

Figura 15 (vedi anche film 7) mostra il confronto tra esperimento e simulazione di una prova di trazione effettuato ad una velocità di deformazione di 1 x 10 -3 sec -1. Il campione di confronto era un filo di Ni-Ti con un diametro di 0,6 mm ed una lunghezza di serraggio di 90 mm. Il modello alla base della simulazione è una modifica della termomeccanica accoppiato modello di Müller-Achenbach-Seelecke (MAS) 23, 24, 19. Il modello è stato esteso per consentire la simulazione di trasformazione di fase localizzata e distribuzione della temperatura disomogenea. Il confronto tra i risultati sperimentali (vedi filmato 7 (a)) e la simulazione (vedi film 7 (b)) Indica che il modello è in grado di riprodurre la meccanica e il comportamento del materiale termico. I campi di temperatura simulati mostrano picchi di temperatura localizzati e l'intensità dei picchi mostrano una buona correlazione con l'esperimento. Inoltre, i tempi della formazione temperatura di picco e la conseguente diminuzione dello stress mostra un buon accordo. L'approccio modello applicato non si limita alla simulazione del comportamento del materiale a carico di trazione, anche un carico di flessione può essere simulato 25. Il modello motivato fisicamente consente per l'analisi dettagliata dei meccanismi alla base e supporta processi e ottimizzazione del materiale riducendo lo sforzo sperimentale e materiale di sviluppo.

Figura 15
Figura 15. Confronto tra esperimento (a) e (b) simulazione risultati di un filo di Ni-Ti con un diametro di 0,6 mm (A = 0.2734 mm2). L'esperimento di validazione è una prova di trazione ad una velocità di deformazione di 1 x 10 -3 sec -1.

Figura 1
Figura 1 (filmato). Adiabatica fase di trasformazione di un campione SMA. Il adiabatico esotermica fase di trasformazione da austenite in martensite aumenta la temperatura SMA e la trasformazione endotermica da martensite ad austenite porta ad una significativa diminuzione di temperatura. (Tasto destro del mouse per scaricare questo film)

figura 2
Figura 2 (filmato). Ciclo di raffreddamento Elastocaloric. Il trasferimento di calore tra la fonte di calore e la SMA hanno luogo a bassi livelli di temperatura. Nella fase successiva,SMA è in uno stato senza contatto e il digiuno (adiabatico) di carico aumenta la temperatura 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 della SMA. (Tasto destro del mouse per scaricare questo film)

Figura 3
Figura 3 (filmato). Animazione dell'assieme 3D. L'animazione mostra i principali componenti del livello superiore del dispositivo di prova. (Tasto destro del mouse per scaricare questo film)

Figura 4
Figura 4 (filmato). Animazione 3D del dispositivo di prova. scaricare questo film)

Figura 6
Figura 6 (filmato). L'animazione assieme 3D. L'animazione mostra i principali componenti del livello inferiore del dispositivo di prova. (Tasto destro del mouse per scaricare questo film)

Figura 8
Figura 8 (filmato). Animazione 3D del dispositivo di prova. L'animazione mostra un ciclo di raffreddamento elastocaloric. (Tasto destro del mouse per scaricare questo film)

film 1 Film 1. IR film dei primi tre cicli di formazione di un nastro di Ni-Ti a una velocità ceppo di 1 x 10 -3 sec -1 (5x velocità di riproduzione). Il film IR mostra un effetto omogeneizzazione crescente dell'effetto elastocaloric aumentando numero di cicli di formazione. (Tasto destro del mouse per scaricare )

Movie 2
Movie 2. carico meccanico di un nastro NiTiCuV ad una velocità di deformazione di 1 x 10 -3 sec -1 (filmato IR, velocità di riproduzione 1x). Il film IR mostra una distribuzione della temperatura sulla superficie disomogenea SMA. (Tasto destro del mouse per scaricare )


Movie 3. scarico meccanico di un nastro NiTiCuV ad una velocità di deformazione di 1 x 10 -3 sec -1 (filmato IR; velocità di riproduzione 1x). Il film IR mostra una distribuzione della temperatura sulla superficie disomogenea SMA. (Tasto destro del mouse per scaricare )

Movie 4
Film 4. carico meccanico di un nastro NiTiCuV (A = 1,07 millimetri 2) ad una velocità di deformazione di 1 x 10 -1 sec -1 (filmato IR, 10x velocità di riproduzione lenta). Il film IR mostra una distribuzione omogenea della temperatura sulla SMA superficie. (Tasto destro del mouse per scaricare )

page = "1"> Movie 5
Film 5. scarico meccanico di un nastro NiTiCuV ad una velocità di deformazione di 1 x 10 -1 sec -1 (filmato IR, 10x velocità di riproduzione lenta). Il film IR mostra una distribuzione omogenea della temperatura sulla superficie SMA. (Tasto destro del mouse per scaricare )

film 6
Film 6. IR cinematografica di un processo di raffreddamento 40 del ciclo. Il tempo di contatto tra il campione e NiTiCuV dissipatore di calore / source è stato fissato a 6 sec. Il filmato mostra i cicli: 1, 2, 11, 12, 21, 22, 31, 32 e 40. (clic destro per scaricare )

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Film 7. Confronto tra esperimento e simulazione risultati di un filo di Ni-Ti con un diametro di 0,6 mm (A = 0,2734 millimetro 2). L'esperimento di validazione è una prova di trazione ad una velocità di deformazione di 1 x 10 -3 sec -1. Il modello è in grado di riprodurre il comportamento del materiale meccanica e termica e consente una previsione di fronti temperatura appaiono durante la pedalata meccanica. (Tasto destro del mouse per scaricare )

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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 fase completo dipende dalla composizione della lega. Il ceppo trasformazione della lega NiTiCuV studiato (vedere Figura 10) è significativamente inferiore rispetto al ceppo trasformazione della lega Ni-Ti mostrato in Figura 9 e Figura 13. A tal fine, i test iniziali per identificare il ceppo trasformazione debbono essere effettuate per nuove leghe.

Le esigenze di sviluppo per la piattaforma di test sono stati il ​​controllo indipendente del processo parametri e il monitoraggio del comportamento termico e meccanico dei componenti di processo interagenti (campione SMA, fonte di calore e dissipatore) durante tutte le fasi del ciclo. Pertanto, il dissipatore di calore e la fonte di calore sono stati montati uno accanto all'altro consentano simultanee misurazioni termografiche di campione SMA e la fonte di calore / dissipatore durante tutte le fasi del processo. La distribuzione di temperatura disomogenea sul nastro SMA, nonché l'influenza della evoluzione della temperatura del dissipatore di calore e la fonte di calore sul comportamento SMA (vedi figura 10 e film 6), illustrano la necessità per la ricerca del processo termografico. Il profilo di temperatura e di scambio termico disomogeneo non riguardano solo l'efficienza del processo; la durata materiale è anche influenzato dal profilo di temperatura. Le alte temperature durante piombo bicicletta meccanica ad un significativo aumento della fatica funzionale e strutturale del materiale 12- 14 6 cicli. Al fine di determinare il profilo di temperatura del materiale mediante termografia, esperimenti preliminari hanno mostrato che è richiesta una omogeneo, ad alto coefficiente di emissività del materiale. Il rivestimento materiale (un'alta vernice emissività) fornisce un coefficiente di emissività più riproducibile, indipendente dalla composizione della lega e del trattamento superficiale applicato dei campioni. L'indagine della distribuzione di temperatura su un nastro SMA con una lunghezza di 90 mm richiede una risoluzione di circa 80 micron / pixel per coprire la lunghezza del campione completo di 1.280 pixel. Questo limita la larghezza minima del campione a 240 micron per assicurare che almeno un pixel IR è sempre completamente coperta dal campione. campioni di piccole dimensioni possono essere studiate con la fotocamera IR in combinazione con la lente microscopio, se la misura del profilo di temperaturadel campione completa non è necessaria. Il microscopio lente fornisce una risoluzione di 15 micron / pixel e consente la ricerca di campioni con una larghezza di 45 micron.

Il banco di prova scientifica progettata consente ulteriormente l'indagine di cicli avanzati di raffreddamento elastocaloric. loading non adiabatica del SMA a contatto con il dissipatore di calore può ridurre la temperatura massima SMA durante il processo, che aumenta l'efficienza riducendo l'ampiezza di isteresi. Inoltre, più basse le temperature massime SMA potrebbero potenzialmente aumentare la durata del materiale.

I risultati rappresentativi ottenuti dal banco di prova scientifica ha dimostrato che la piattaforma di test consente la ricerca di varie leghe con differenti dimensioni e fattori di forma. La sezione massima dei campioni è limitato a 1,8 mm 2. La limitazione si basa sulla forza continua massima dell'azionamento diretta lineare di 1,200 N. Il dimensioni del campione inflinfluenza il controllo di processo, mentre le velocità di deformazione alla quale i campioni trasformano adiabaticamente sono influenzati principalmente dal rapporto tra superficie e sezione trasversale. Inoltre, il tempo di contatto tra la SMA e la fonte di calore / dissipatore deve essere adattata alle dimensioni del campione al fine di ottimizzare l'efficienza e / o la potenza di raffreddamento. Un grande rapporto superficie sezione trasversale diminuisce il tempo di ciclo e il rapporto opposta porta a processi più lenti. La scelta della dimensione del campione, nonché la geometria del campione, definisce la frequenza operativa di un dispositivo di raffreddamento elastocaloric futuro e deve essere adattata alle esigenze applicative.

L'ottimizzazione dei processi di raffreddamento elastocaloric è necessaria al fine di stabilire tecnologia di raffreddamento un romanzo ecologico che può essere una alternativa competitiva al processo basato compressione di vapore convenzionale. La configurazione di prova scientifica progettato e lo sviluppo di nuove leghe come NiTiCu 26 e NiTiCUV sono primi passi nello sviluppo di un dispositivo di raffreddamento efficiente. Per quanto a conoscenza degli autori, questa configurazione scientifica è il primo sistema che permette la ricerca delle proprietà elastocaloric di un SMA durante i processi di raffreddamento a stato solido basato controllando la temperatura di SMA e la fonte di calore / dissipatore durante tutte le fasi di processo . Una modifica dritto in avanti della fonte di calore / lavandino e morsetti consente l'indagine del trasferimento di calore conduttivo dello SMA con altri fattori di forma come le griglie e tubi. Tuttavia, il banco di prova scientifica è stato sviluppato da un punto di vista-di-scientifica, e prevede la possibilità di materiali e di processo indagini complete per il processo e materiali ottimizzazioni invece di elevate prestazioni del sistema. Ulteriori passi sono necessari per trasferire i risultati ottenuti con la configurazione di prova scientifica per la progettazione di un dispositivo di raffreddamento elastocaloric. In questo contesto, il sviluppata m termomeccanica accoppiatoodel supporta il processo di sviluppo simulando il processo di raffreddamento a livello di dispositivo.

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Acknowledgments

Gli autori vorrebbero riconoscere il sostegno del programma di priorità DFG 1599 "effetti calorico materiali ferroic: Nuovi concetti per il raffreddamento" (Progetti: EG101 / 23-1, SCHU2217 / 2-1, SE704 / 2-1, EG101 / 29 -2, SCH2217 / 3-2, SE704 / 2-2).

Materials

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

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References

  1. Fähler, S., Rößler, U. K., et al. Caloric effects in ferroic materials: New concepts for cooling. Adv. Eng. Mater. 14 (1-2), 10-19 (2012).
  2. Moya, X., Defay, E., Heine, V., Mathur, N. D. Too cool to work. Nat. Phys. 11 (3), 202-205 (2015).
  3. Starkov, I. A., Starkov, A. S. On the thermodynamic foundations of solid-state cooler based on multiferroic materials. Int. J. Refrig. 37, 249-256 (2014).
  4. Caloric Effects in Ferroic Materials: New Concepts for Cooling. , Available from: http://www.ferroiccooling.de/ (2012).
  5. Moya, X., Kar-Narayan, S., Mathur, N. D. Caloric materials near ferroic phase transitions. Nat. Mater. 13 (5), 439-450 (2014).
  6. Shaw, J. A., Kyriakides, S. On the nucleation and propagation of phase transformation fronts in a NiTi alloy. Acta Mater. 45 (2), 683-700 (1997).
  7. Chang, B. -C., Ja Shaw,, Iadicola, M. A. Thermodynamics of Shape Memory Alloy Wire: Modeling Experiments, and Application. Contin. Mech. Thermodyn. 18 (1-2), 83-118 (2006).
  8. Cui, J., Wu, Y. M., et al. Demonstration of high efficiency elastocaloric cooling with large Delta T using NiTi wires. Appl. Phys. Lett. 101 (7), 073904 (2012).
  9. Ossmer, H., Lambrecht, F., Gültig, M., Chluba, C., Quandt, E., Kohl, M. Evolution of temperature profiles in TiNi films for elastocaloric cooling. Acta Mater. 81, 9-20 (2014).
  10. Ossmer, H., Chluba, C., Krevet, B., Quandt, E., Rohde, M., Kohl, M. Elastocaloric cooling using shape memory alloy films. J. Phys. Conf. Ser. 476 (1), 012138 (2013).
  11. Schmidt, M., Schütze, A., Seelecke, S. Scientific test setup for investigation of shape memory alloy based elastocaloric cooling processes. Int. J. Refrig. 54, 88-97 (2015).
  12. Tobushi, H., Shimeno, Y., Hachisuka, T., Tanaka, K. Influence of strain rate on superelastic properties of TiNi shape memory alloy. Mech. Mater. 30 (2), 141-150 (1998).
  13. Miyazaki, S., Mizukoshi, K., Ueki, T., Sakuma, T., Liu, Y. Fatigue life of Ti-50 at.% Ni and Ti-40Ni-10Cu (at.%) shape memory alloy. Mater. Sci. Eng. A. 273-275, 658-663 (1999).
  14. Olbricht, J., Yawny, A., Condò, A. M., Lovey, F. C., Eggeler, G. The influence of temperature on the evolution of functional properties during pseudoelastic cycling of ultra fine grained NiTi. Mater. Sci. Eng. A. 481-482, 142-145 (2008).
  15. Tušek, J., Engelbrecht, K., Mikkelsen, L. P., Pryds, N. Elastocaloric effect of Ni-Ti wire for application in a cooling device. J. Appl. Phys. 117 (12), 124901 (2015).
  16. Zarnetta, R., Takahashi, R., et al. Identification of Quaternary Shape Memory Alloys with Near-Zero Thermal Hysteresis and Unprecedented Functional Stability. Adv. Funct. Mater. 20 (12), 1917-1923 (2010).
  17. Schmidt, M., Ullrich, J., et al. Thermal Stabilization of NiTiCuV Shape Memory Alloys: Observations During Elastocaloric Training. Shape Mem. Superelasticity. , (2015).
  18. Höhne, G., Hemminger, W., Flammersheim, H. -J. Differential Scanning Calorimetry. , Berlin Heidelberg Springer-Verlag. (2003).
  19. Heintze, O., Seelecke, S. A coupled thermomechanical model for shape memory alloys-From single crystal to polycrystal. Mater. Sci. Eng. A. 481-482, 389-394 (2008).
  20. Furst, S. J., Crews, J. H., Seelecke, S. Numerical and experimental analysis of inhomogeneities in SMA wires induced by thermal boundary conditions. Contin. Mech. Thermodyn. 24 (4-6), 485-504 (2012).
  21. Shaw, J., Kyriakides, S. Thermomechanical aspects of NiTi. J. Mech. Phys. Solids. 43 (8), 1243-1281 (1995).
  22. Cooling Efficiencies of a NiTi-Based Cooling Process. Schmidt, M., Schütze, A., Seelecke, S. ASME 2013 Conf. Smart Mater. Adapt. Struct. Intell. Syst. Dev. Charact. Multifunct. Mater. Model. Simul. Control Adapt. Syst. Integr. Syst. Des. Implement, , (2013).
  23. Achenbach, M., Müller, I. A MODEL FOR SHAPE MEMORY. . Le J. Phys. Colloq. 43 (C4), 163-167 (1982).
  24. Müller, I., Seelecke, S. Thermodynamic aspects of shape memory alloys. Math. Comput. Model. 34 (12-13), 1307-1355 (2001).
  25. Experimental Investigation and Numerical Simulation of the Mechanical and Thermal Behavior of a Superelastic Shape Memory Alloy Beam During Bending. Ullrich, J., Schmidt, M., et al. ASME 2014 Conf. Smart Mater. Adapt. Struct. Intell. Syst. Mech. Behav. Act. Mater. Integr. Syst. Des. Implementation; Bioinspired Smart Mater. Syst. Energy Harvest, , (2014).
  26. Bechtold, C., Chluba, C., Lima de Miranda, R., Quandt, E. High cyclic stability of the elastocaloric effect in sputtered TiNiCu shape memory films. Appl. Phys. Lett. 101 (9), 091903 (2012).

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