基于形状记忆效应的弹热制冷过程研究的实验方法及模型验证

摘要

介绍了用于研究固态冷却过程以及表征形状记忆合金（SMA）弹热材料性能的实验方法。设计了一套定制的测试装置，用于控制并全面监测弹热冷却过程，此外还为热-力耦合建模方法提供了验证平台。

摘要

采用弹热冷却过程的形状记忆合金（SMA）有望成为传统蒸气压缩式冷却技术的一种环境友好型替代方案。其中，镍钛（Ni-Ti）基合金体系尤其表现出显著的弹热效应，同时具有较大的潜热，这是开发高效固态冷却过程所需的关键材料特性。为研究这些过程及形状记忆合金中的弹热效应，已设计了一套科学实验装置。该装置可独立控制形状记忆合金的机械加载与卸载循环，同时实现形状记忆合金冷却元件与热源/散热端之间的传导热交换。实验装置配备了一套完善的监测系统，能够同步测量机械参数和热参数。除确定与过程相关的机械功外，系统还可通过高性能红外相机测量弹热冷却效应中的热卡特性。这种组合具有特殊意义，因为它能够呈现局部化效应和速率效应，而这对于从待冷却介质中实现高效热传递至关重要。

本文所述工作介绍了一种用于识别不同材料及试样几何形状下弹热材料特性的实验方法。此外，该试验装置还用于研究多种冷却过程的变体。所引入的分析方法能够对材料、过程及相关边界条件对过程效率的影响进行差异化分析。实验数据与模拟结果（基于热力耦合有限元模型）的对比，有助于更深入理解弹热效应背后的物理机制。同时，实验结果以及基于模拟结果所得的发现被用于优化材料性能。

引言

基于铁性材料的固态冷却过程有望成为传统蒸气压缩式制冷技术的环境友好型替代方案。铁性材料可能表现出磁热、电热和弹热效应^1,2，以及这些效应的组合，后者被称为多热效应材料行为³。目前，德国科学基金会（DFG）重点研究项目 SPP 1599“铁性材料中的热效应：制冷新概念”正在系统研究铁性材料中的各类热效应⁴。该项目中研究的形状记忆合金（SMA）表现出显著的弹热效应，尤其是基于 Ni-Ti 的合金，因其具有较大的潜热⁵。在高应变速率下由应变诱发的相变会导致 SMA 出现显著的温度变化，如图1所示。从奥氏体向马氏体的绝热放热相变会使 SMA 温度升高；而马氏体向奥氏体的吸热相变则导致温度显著降低。通过施加适当的机械加载与卸载循环，可利用这些弹热材料特性实现固态冷却过程。图2展示了一个遵循布雷顿循环的典型弹热制冷循环。在低温条件下，热量在热源与处于冷态且无载荷的 SMA 之间传递。在下一阶段，SMA 处于无接触状态，快速的绝热加载导致其温度显著上升。随后，在 SMA 应变保持恒定的条件下，热量在高温 SMA 与散热器之间传递。当传热完成后，快速的绝热卸载使 SMA 温度显著下降至低于热源温度，从而可启动下一个制冷循环并再次与热源进行热交换。弹热制冷过程的效率取决于所需机械功与吸收热量之间的关系。

首先，Shaw....

方案

1. 样品制备

1. 使用卡尺测量SMA带材，并确定样品的横截面。
2. 通过在带材上涂覆一层高发射率（ε=0.96）涂料，制备用于红外测量的样品。
   注意：该涂料被归类为刺激性物质。在处理涂料时必须佩戴手套、护目镜和口罩。

2. 材料稳定化（培训）

注意：初始的机械循环会导致材料的机械和热稳定化。研究这种稳定化效应以及训练程序本身，需要使用安装在试验装置上层的执行器和传感器，以及红外相机。

1. 启动电机控制器程序并检查已加载的设置。将设置更改为位置模式和命令模式。确认电机处于激活状态。
2. 在电机控制器程序中将目标位置设为 0 µm，并点击“操作启用”按钮——在此位置下，夹具之间的距离为 90 mm。
3. 将样品放置在实验装置的夹具之间，并使用专门设计的对准工具对样品进行对准。
4. 使用安装辅助工具拧紧夹具，以避免在载荷传感器和样品上产生弯曲载荷。使用扭矩扳手拧紧螺钉，以确保夹紧力可重复（拧紧扭矩：20 Nm）。
5. 检查当前电机位置，并确保电机处于起始位置（0 µm）。
6. 启动红外相机软件，并加载50 mm镜头与近摄镜组合的校准参数。选择图像尺寸为 1,280 × 100 像素，温度范围为 -20 °C 至 50 °C。通过使用电机调焦单元调整相机....

结果

材料稳定化（培训）：

图9展示了50次训练循环的应力/应变图。所研究的样品为截面积A = 1.45 mm²的Ni-Ti带材。施加的应变速率为1 × 10^-3 sec^-1，导致平均温升ΔT = 12.2 K。温升对稳定化效应具有显著影响^12-14；除机械稳定化外，还可观察到热稳定化现象。视频1显示了前三个训练循环期间样品表面的温度分布，其帧率是实际测量时间的五倍。每次循环后实验暂停，待样品恢复至环境温度后立即重新启动。可观察到弹热效应的均质化，但随着循环次数增加，温度峰值的强度逐渐降低。

讨论

本研究所展示的科学试验装置可通过执行方案部分所述的实验，对弹热材料及制冷过程进行系统性研究。在夹紧样品前对其进行精确对准，对于所有实验均至关重要。对准不良可能导致材料过早失效。此外，施加的最大应变对材料寿命具有显著影响，而实现完全相变所需的应变则取决于合金成分。所研究的NiTiCuV合金（见图10）的相变应变明显低于图9和图13所示Ni-Ti合金的相变应变。因此，对于新型合金，必须首先开展初步实验以确定其相变应变值。

测试平台的开发需求包括对工艺参数的独立控制，以及在所有循环阶段对相互作用的工艺组件（形状记忆合金样品、热源和散热器）的热学与力学行为进行监测。因此，散热器和热源被并排安装，以便在所有工艺阶段对形状记忆合金样品以及热源/散热器进行同步的红外热成像测量。形状记忆合金带材上不均匀的温度分布，以及热源和散热器温度演变对形状记忆合金行为的影响（见图10和视频6），凸显了开展红外热成像过程研究的必要性。温度分布和.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
线性直接驱动器	ESR-Pollmeier	ML 1418-U5-W1	SMA 加载/卸载；热传导
气动缸	Festo	ADNGF-40 574031	热源/散热器与 SMA 之间的接触
电感式位置测量系统	AMO	LMKA-1101.1NN-1.0-0
拉压负荷传感器	Futek	LCF451; FSH02241	SMA 受力
压缩负荷传感器	Futek	LTH300; FSH00297	接触力
红外相机	Infra Tec	Image IR 9360; M91129	1,280 x 1,024 像素；最高帧率 3,200 Hz
实时控制器	National Instruments	NI CompactRIO-9074	数据采集与控制系统
相机用清漆	Tetenal	105202