Name: 基于形状记忆调查Elastocaloric冷却过程和模型验证实验方法 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-05-02T14:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 11 s
Description: 了解弹热材料与冷却过程的实验方法，通过定制测试装置表征形状记忆合金特性并优化冷却效率。本研究为高效冷却设备设计提供理论基础与模型验证。

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作者感谢德国研究基金会（DFG）重点计划1599提供的支持 &#34;铁性材料中的热效应：制冷新概念 （项目编号：EG101/23-1， SCHU2217/2-1 SE704/2-1 EG101/29-2，SCH2217/3-2，SE704/2-2).&#160;

1. 样品制备

<ol>
	<li>使用卡尺测量SMA带材，并确定样品的横截面。</li>
	<li>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。</li>
</ol>
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。
<ol>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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）。</li>
	<li>检查当前电机位置，并确保电机处于起始位置（0 µm）。</li>
	<li>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位置，确保整个样品位于相机视野范围内。 
	注意：红外相机结合所选镜头系统，其焦距（f）为 50 mm，光圈为 f/2，在工作距离为 200 mm 时最小像素尺寸为 60 µm。</li>
	<li>打开用于训练和材料表征的控制程序，并设置控制参数（位移、速度、保载时间、最大和最小力、循环次数以及相机帧率）。
	<ol>
		<li>设置起始位置（0 µm），并选择目标位置（4,500 µm），使材料经历完整的相变过程。</li>
		<li>设置直线直驱速度（加载/卸载速度），以达到所需的应变率。为冷却过程相关的训练选择 5 × 10-4 sec-1 的应变率（执行器速度为 45 µm/sec）。
		<ol>
			<li>根据所选应变率（<img alt="静力平衡，ΣFx=0 示意图；方程展示平衡关系，适用于教学清晰表达。" src="/files/ftp_upload/53626/epsilon.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="epsilon">）和初始样品长度（l0）90 mm，确定直线直驱速度（v）（v = <img alt="静力平衡，ΣFx=0 示意图；方程展示平衡关系，适用于教学清晰表达。" src="/files/ftp_upload/53626/epsilon.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="epsilon">∙l0）</li>
		</ol>
		</li>
		<li>将保载时间设为 0 秒。</li>
		<li>对于新样品的首次循环，将循环次数设为 1。</li>
		<li>设置样品特定的最小和最大力值，以避免压缩载荷和拉伸过载（最小载荷 1 MPa，最大载荷 800 MPa）。</li>
		<li>选择红外相机采集速率为 50 msec/帧（每秒 20 帧）。</li>
		<li>点击开始按钮以加载设置。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>打开红外相机软件，选择文件名并分配 5,000 帧存储空间。
	<ol>
		<li>将触发源由内部切换为外部，并启动数据采集模式。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>打开控制程序并按下开始实验按钮。</li>
	<li>数据可视化
	<ol>
		<li>实验完成后，将数据导入数据处理软件，并以力/位移、应力/应变、力/时间及位置/时间曲线图形式进行可视化展示。</li>
		<li>将红外数据导入红外相机软件，评估时间分辨的温度分布。定义一个覆盖形状记忆合金（SMA）带材表面的测量区域，并绘制样品平均最高温度和最低温度随时间变化的曲线。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>重复步骤 2.6 至 2.9，直至材料表现出稳定的力学行为，并调整起始位置以补偿残余应变。
	<ol>
		<li>完成前 10 次循环后，将每次实验的循环次数增加至 10，并继续实验直至材料行为稳定。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
3. 材料表征
注意：材料表征需要使用安装在试验台上方层级的执行器和传感器，以及红外热像仪。在表征过程中，样品在加载和卸载后需进行保持阶段，且加载和卸载以不同的速率进行。
<ol>
	<li>如果在训练结束后已松开 SMA 带材夹具且测试装置的控制系统已关闭，请重复步骤 2.1 至 2.6 并重新夹紧样品。若非如此，则按以下步骤进行。</li>
	<li>打开用于训练和材料表征的控制程序，并设置控制参数（位移、速度、保持时间、循环次数和相机帧率）。
	<ol>
		<li>设置起始位置，使样品处于零载荷状态，并将目标位置设为训练时的目标位置（4,500 µm）。</li>
		<li>设置直线直驱装置的速度（加载/卸载速度），以达到所需的应变率。选择应变率为 1 × 10-1 sec-1（执行器速度为 9,000 µm/sec），这将导致横截面为 0.75 mm × 1.4 mm 或更大的样品发生绝热相变。</li>
		<li>将保持时间设为 180 秒，以确保样品恢复至初始温度水平。 
		注意：实验后需通过计算热平衡时间常数（τ）来验证保持时间；若保持时间小于 4 × τ，则在下一次表征实验开始前必须增加保持时间。</li>
		<li>将循环次数设为 1。</li>
		<li>设置样品特定的最小和最大力值，以避免压缩载荷和拉伸过载（最小载荷 1 MPa，最大载荷 800 MPa）。</li>
		<li>选择红外相机采集速率为 5 msec/帧（每秒 200 帧）。</li>
		<li>点击开始按钮以加载设置。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>打开红外相机软件，选择文件名并分配 80,000 帧存储空间。
	<ol>
		<li>将触发源从内部切换为外部，并启动数据采集模式。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>打开控制程序并按下开始实验按钮。</li>
	<li>将红外数据载入红外相机软件。绘制样品平均最高温度和最低温度随时间的变化曲线。导出数据，并使用数据处理软件10,11计算热平衡时间常数。</li>
	<li>如有必要，根据计算得到的热平衡时间常数调整保持时间。</li>
	<li>重复步骤 3.2 至 3.5，将应变率从 5 × 10-5 sec-1 变化至 1 × 10-1 sec-1，同时将应变从 2% 变化至最大应变 5%（最大应变相当于训练过程中的最大应变）。</li>
	<li>局部温度峰值的研究： 
	注意：该材料表现出弹热效应的速率依赖性局域化特征。对这些效应的细致研究需要对 SMA 温度分布具有高空间分辨率。为此，需将红外相机的镜头更换为显微镜头。该显微镜头的光圈为 3.0，放大倍数为 1 倍，在工作距离为 195 mm 时像素尺寸为 15 µm。
	<ol>
		<li>关闭光源，移除红外相机视野内的所有热源，并更换镜头。</li>
		<li>更改相机校准设置，在 20 °C 至 50 °C 的温度范围内加载显微镜头的校准文件，图像尺寸设为 500 × 250 像素。使用电机调焦单元对样品进行聚焦。</li>
		<li>以应变率 1 × 10-1 sec-1（9,000 μm/sec）进行拉伸试验，遵循第 2 节“材料稳定化”中所述步骤。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>数据可视化
	<ol>
		<li>将力学数据载入数据处理软件，并以力-位移、应力-应变、力-时间及位置-时间图的形式进行可视化展示。</li>
		<li>将红外数据载入红外相机软件，评估时间分辨的温度分布。定义一个覆盖 SMA 带材表面的测量区域，并绘制样品平均最高温度和最低温度随时间的变化曲线。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
4. 弹热制冷过程
注意：弹性热冷却过程的研究需要在装置的上层和下层使用执行器和传感器，以及红外相机。这些实验包括调节控制参数，以优化工艺性能。
<ol>
	<li>如果在材料表征完成后已松开 SMA 薄带并关闭测试装置，则重复步骤 2.1 至 2.5 并再次夹紧样品。若未进行上述操作，则按以下步骤进行。</li>
	<li>启动红外相机软件，并加载适用于 50 mm 镜头配合近摄镜的校准参数。选择图像尺寸为 1,280 × 1,024 像素，温度范围为 -20 °C 至 50 °C。通过电机调焦单元调整相机位置，确保整个样品位于相机视场范围内。 
	注意：所使用的红外相机与选定镜头系统的组合具有 50 mm 的焦距（f）、f/2 的光圈，以及在 200 mm 工作距离下的最小像素尺寸为 60 µm。</li>
	<li>打开弹热制冷过程的控制程序，并设置控制参数（直线直驱电机一（上层）的位移、直线直驱电机一和二的速度、接触时间、最大与最小力、接触相位、循环次数及相机帧率）。
	<ol>
		<li>设置直线直驱电机在 SMA 加载与卸载时的起始位置，使样品处于零载荷状态，并将目标位置设为与训练阶段相同的目标位置（4,500 µm）。</li>
		<li>设置直线直驱电机在加载与卸载过程中的速度（加载/卸载速度），以实现 1 × 10-1 sec-1 的应变率（9,000 µm/sec）。将装置下层直线直驱电机的速度设为 100 mm/sec。</li>
		<li>将接触时间设为 6 秒。 
		注意：接触时间决定传热持续时间，可设置为高于 10 msec 的任意值。</li>
		<li>选择加载/卸载后的接触模式。 
		注意：接触相位影响加载与卸载过程是否为绝热过程（加载/卸载后接触），或是否与向热沉/热源传热相结合（加载/卸载期间接触）。</li>
		<li>将循环次数设为 40。</li>
		<li>根据样品特性设置最小和最大力值，以避免受压载荷和拉伸过载（最小载荷 1 MPa，最大载荷 800 MPa）。</li>
		<li>选择红外相机采集速率为 20 msec/帧（每秒 50 帧）。点击开始按钮以加载设置。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>打开红外相机软件，选择文件名并分配 50,000 帧存储空间。将触发源由内部切换为外部触发，并启动数据采集模式。</li>
	<li>打开控制程序，按下开始实验按钮。</li>
	<li>数据可视化
	<ol>
		<li>实验结束后，将数据导入数据处理软件，并可视化以下数据：力/位移、应力/应变、温度/时间（热沉/热源的温度）、力/时间、接触力/时间以及直线执行器位置/时间。</li>
		<li>将红外数据导入红外相机软件，评估时间分辨的温度分布曲线。定义三个测量区域，分别覆盖 SMA 样品表面、热沉表面和热源表面。导出所定义测量区域的时间分辨平均温度、最高温度和最低温度数据，并将其导入数据处理软件。</li>
		<li>在温度/时间图中可视化红外数据。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>在改变参数（应变、接触时间、接触相位）的条件下重复实验。</li>
</ol>
5. 模型验证
注意：热-力耦合材料模型的验证需要遵循材料稳定化或材料表征的实验。使用横截面为 0.6 mm 的 Ni-Ti 金属丝进行实验研究。
<ol>
	<li>在应变速率为 5 × 10-5 sec-1、应变为 5% 的条件下进行等温拉伸试验，随后执行第 2 节中所述的步骤。</li>
	<li>实验完成后，将数据载入数据处理软件并可视化应力/应变测量结果。计算奥氏体和马氏体相的弹性模量、相变应变以及滞后宽度。上述数据将作为模型的力学输入参数7。</li>
	<li>在应变速率分别为 1 × 10-4 sec-1、5 × 10-4 sec-1、1 × 10-3 sec-1、5 × 10-3 sec-1、1 × 10-2 sec-1、5 × 10-2 sec-1、1 × 10-1 sec-1 的条件下，进一步开展拉伸试验，以生成用于模型验证的数据。</li>
	<li>若实验已完成，将样品从测试系统中取出，并进行差示扫描量热法（DSC）18 测量，以确定稳定化材料的热力学材料参数（相变潜热及材料的比热容）。 
	注意：DSC 测量结果为热-力耦合模型提供热力学输入数据。</li>
	<li>开始模拟第 5.3 步中描述的拉伸试验。
	<ol>
		<li>将形状记忆合金的自定义模型嵌入商用有限元软件中：
		<ol>
			<li>选择 Geometry 节点，并选择 Interval 以绘制一维线材几何结构。</li>
			<li>选择 Parameters 节点，以定义在第 5.2 步力学试验中确定的模型参数。</li>
			<li>右键单击 Definitions 节点并选择 Variables，以创建一个 Variables 节点。选择该 Variables 节点，并定义用于确定由统计热力学推导出的相变概率的算法19。</li>
			<li>选择 Add Physics 并添加 Coefficient Form PDE 或 General Form PDE，以定义描述超弹性形状记忆合金行为的一维偏微分方程组，该方程组包括静力平衡方程、内能平衡方程以及相变动力学方程20。</li>
		</ol>
		</li>
		<li>选择 Initial Values 子节点，将线材的初始温度设为环境温度。
		<ol>
			<li>选择 Dirichlet Boundary Condition，以施加力学边界条件，按照第 2 节中描述的实验步骤对第 5.3 步中的应变速率进行加载，约束线材一端的位移，并规定另一端的位移。</li>
			<li>选择 Dirichlet Boundary Condition，将热边界条件设为恒定温度，原因是夹具体积远大于细线材。 
			注意：有限元软件的标准设置无法获得收敛解。</li>
			<li>选择 Solver Configuration 的子节点，修改标准设置（例如，非线性迭代牛顿-拉夫森求解器的绝对与相对容差及阻尼系数），然后点击“Compute”运行求解器。</li>
		</ol>
		</li>
	</ol>
	</li>
	<li>数据分析
	<ol>
		<li>将实验与模拟结果载入数据分析软件，并可视化力学与热学数据。</li>
		<li>对比实验与模拟结果，分别比较其力学行为（应力/应变响应）和热学行为（样品空间分辨的温度演化）。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

<ol><li>Fähler, S., Rößler, U. K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Caloric+effects+in+ferroic+materials%3A+New+concepts+for+cooling%5BTitle%5D)+AND+%22Adv.+Eng.+Mater%22%5BJournal%5D)">Caloric effects in ferroic materials: New concepts for cooling.</a> Adv. Eng. Mater. 14 (1-2), 10-19 (2012).</li>
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<li>Bechtold, C., Chluba, C., Lima de Miranda, R., Quandt, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High+cyclic+stability+of+the+elastocaloric+effect+in+sputtered+TiNiCu+shape+memory+films%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+Lett%22%5BJournal%5D)">High cyclic stability of the elastocaloric effect in sputtered TiNiCu shape memory films.</a> Appl. Phys. Lett. 101 (9), 091903(2012).</li>
</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

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...

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 et al.6,7 开展了在拉伸试验过程中监测温度场的实验，旨在研究形状记忆合金（SMA）带材和线材在不同应变速率下进行拉伸试验时局部温度峰值的形成。所采用的实验方法结合了力学参数（应力、应变和应变速率）的测量，并通过红外热成像技术同步获取温度场数据。在使用拉伸试验机对SMA试样进行加载和卸载的过程中，采用红外（IR）相机采集SMA样品的红外图像。该技术可用于研究与应变速率相关的温度峰值形成过程。样品表面温度分布的测量对于研究弹热效应以及确定材料的冷却性能至关重要。仅通过接触式温度测量进行局部温度测量不足以表征材料的冷却性能。Cui et al.8 也采用了温度场测量方法研究Ni-Ti线材中的弹热效应。此外，Ossmer et al.9,10 表明，红外热成像测温技术同样适用于基于Ni-Ti的薄膜材料中弹热效应的研究，该研究需要红外相机具备高帧率，以实现对高应变速率下绝热相变过程的观测。该技术可实现对弹热参数及温度分布均匀性的研究，而温度分布的均匀性对基于固态的热传递过程及弹热循环效率具有显著影响。
通过计算基于应力/应变测量的所需功以及热量（热量可根据材料的温度变化和热容确定），可以评估该材料的制冷效率。然而，该实验方法无法在过程条件下研究弹热材料，其中包括形状记忆合金与热源之间的热传递，这对制冷效果的效率具有显著影响。
冷却过程条件的材料表征以及弹热冷却过程的研究需要一种能够实现基于固态传热的测试装置，而现有商业系统均无法对此类过程进行研究。为此，开发了一种新型测试平台。该测试装置分为两级结构，如图3所示。上层用于基本的弹热材料表征和初步训练程序，类似于先前描述的方法（见图4）。该装置配备了一个直线直驱电机，能够以最高达1 sec-1的应变速率对形状记忆合金（SMA）进行加载和卸载（见图5）。该直线直驱电机可支持横截面积最大为1.8 mm2的样品测试，典型样品长度为90 mm。与通常用于拉伸试验的滚珠丝杠驱动相比，直线直驱电机的优势在于具有更高的速度和加速度。此外，装置配备的载荷传感器以及直线驱动器集成的位置测量系统可提供机械测量数据。采用一台高分辨率红外热像仪（1,280 × 1,024 像素），可在所需温度范围内以最高400 Hz的频率测量SMA的温度分布。配合分辨率为15 µm/像素的显微镜头，可实现对局部温度效应的研究。测试装置的下层包含一个可在SMA与热源/冷源之间交替进行导热传递的机构（见图6和图7）。下层的直线直驱电机在热源与SMA之间以及SMA与冷源之间切换，而气动缸则负责升降热源/冷源（见图8）。每个执行器均可独立控制，从而可研究不同的冷却过程变体。该综合测量系统可实现对机械参数的测量：执行器位置、执行器速度、SMA加载力、传热过程中SMA与热源/冷源之间的接触力，以及热参数（即热源/冷源内部温度、SMA及热源/冷源表面的温度分布）。关于该科学测试平台的更详细描述见于Schmidt et al. 11。
<img alt="SMA测试装置示意图，包含直线驱动器、红外相机、夹具和用于应力分析的载荷传感器。" src="/files/ftp_upload/53626/53626fig5.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="图5"> 
图5. 试验装置上层结构示意图。 采用带有集成位置测量系统的直线直驱装置对SMA样品进行加载和卸载；配备用于测量拉伸力的载荷传感器，以及用于获取温度分布的高分辨率红外相机（1,280 × 1,024 像素）。
<img alt="热分析装置示意图，包含热源、传感器、气动气缸和线性驱动系统。" src="/files/ftp_upload/53626/53626fig7.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="图7"> 
图7. 测试装置下层结构示意图。 采用线性直接驱动系统，用于在散热器与热源之间切换；通过气动气缸实现形状记忆合金（SMA）样品与热源/散热器之间的接触；温度传感器集成在散热器/热源内部，用于测量模块的核心温度。传热机构中集成了一个压力载荷传感器，用于测量SMA与热源/散热器之间的接触力，但在本示意图中不可见。
该实验装置可用于研究不同合金成分、样品尺寸以及几何形状（如带材、线材）。此外，该装置还能实现对弹热材料及冷却过程的全面研究。前述实验均可在此装置上完成，具体操作步骤将在本文的实验方案部分逐步说明。
材料稳定化：
稳定的材料性能对于弹性热材料在制冷系统中的应用至关重要。为此，需采用机械稳定化处理。在此过程中，材料经历机械加载和卸载循环，并发生从奥氏体到马氏体的相变。材料的稳定化过程表现出显著的速率依赖性。较高的加载速率会引起材料的温度变化，该变化由相变潜热所致。这种温度变化对材料稳定化的影响，与在不同温度下进行的机械训练循环所产生的影响相似12-15。除了已知的机械稳定化13和量热稳定化16外，通过采用热成像技术17并利用所设计的实验装置，还可观察到材料的热稳定化现象。
材料表征：
在完成初始的机械训练程序后，该材料表现出稳定的力学、热学和热效应行为，从而可以对其弹热材料性能进行表征。因此，在不同速率下进行机械循环实验，与训练程序不同的是，弹热性能表征在加载和卸载后包含一个保载阶段。在保载阶段期间，形状记忆合金（SMA）的应变保持恒定，直至材料温度恢复至环境温度水平。此类实验旨在确定从环境温度出发、卸载后所能达到的最低温度以及材料的效率。可观察到局部温度峰值的形成具有速率依赖性，速率越高，温度分布越趋于均匀。此外，随着应变速率的增加，温度变化也随之增大，直至达到绝热条件。材料效率可通过计算绝热实验的力-位移曲线所对应的机械功，以及基于卸载过程中材料的平均温度变化和样品热容所确定的可吸收热量来评估。
弹热制冷过程：
在工艺条件下研究形状记忆合金（SMAs）的冷却效率，需要在 SMA 冷却介质与热源以及冷源之间进行热传递。为此，SMA 需与固态热源（绝热卸载后）和冷源（绝热加载后）相接触。该过程的效率在很大程度上取决于工艺控制和热边界条件。为了全面研究冷却过程，必须调节控制参数以确定最高效的工艺控制方式。需分别研究各参数（接触时间、SMA 应变、SMA 应变速率、接触阶段（加载/卸载过程中或之后接触）以及接触力）对过程性能的独立影响。此外，还需考虑随着冷却循环次数的增加，热边界条件变化所带来的影响。
模型验证：
开发一种能够再现冷却循环过程中材料力学与热学行为的热-力耦合材料模型，对于新型冷却技术的开发至关重要。该模型可通过减少实验和材料开发的工作量，实现材料与工艺的优化。模型的验证需要首先对稳定化材料进行等温拉伸试验，以获取所需的力学材料输入数据（奥氏体和马氏体相的弹性模量、力学滞后宽度以及相变应变）。模型的验证基于不同速率下的拉伸试验进行。在完成力学实验后，可通过差示扫描量热法（DSC）测定模型所需的热力学输入数据。为了测量稳定化样品的热力学材料性能，DSC测量必须在力学试验之后进行。

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

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

Experimental Methods for Investigation of Shape Memory Based Elastocaloric Cooling Processes and Model Validation

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。

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。
<img alt="应力-应变图，应变...

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。

利用弹热冷却过程的形状记忆合金（SMA）有望成为传统蒸汽压缩制冷技术的一种环境友好型替代方案。

本实验的总体目标是研究弹热材料及弹热冷却过程。为此，已开发出一套科学测试装置，用于开展基础材料表征和先进的弹热过程控制。本方法描述了材料特性与过程控制对冷却过程制冷功率和效率的影响。研究结果有助于开发优化的弹热制冷过程，这是设计高效制冷装置的基础。在快速绝热加载过程中，形状记忆合金的潜热导致加载时温度升高，随后在卸载时温度降低。该弹热制冷过程的研究由德国波鸿鲁尔大学的材料科学团队与德国萨尔布吕肯萨尔兰大学的两个机电工程团队合作开展。该技术涉及材料与工艺的优化，以及模拟工具的开发。所研制的科学试验装置能够研究形状记忆合金与热源之间、以及形状记忆合金与散热器之间的固态传热过程中的弹热效应。该技术的主要优势在于能够独立地探究各个控制参数对功和热量等过程变量的影响。此外，该系统配备了一个综合系统，用于测量每个工艺步骤中的机械量和终端参数。首先，使用卡尺测量形状记忆合金带材的尺寸，并确定样品的横截面。然后，将样品涂覆一层高发射率薄层。接下来，在电机控制器程序中将目标位置设置为0微米，并点击启用操作按钮。在此位置，夹具之间的距离为90毫米。将样品置于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。然后，使用安装辅助工具拧紧夹具，并使用扭矩扳手将螺钉拧紧至20牛·米的力矩。Semper的对准非常关键。Semper上的皮带轮在仅几个循环后就会失效。启动红外相机软件，加载50毫米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至50摄氏度，然后使用电机对焦装置调整相机位置。打开用于训练和材料表征的控制程序。接下来，将起始位置设为 0 微米，并选择目标位置为 4,500 微米，以使材料发生完全的相变。将直线直驱速度设为 45 微米每秒，相当于应变速率为 5 × 10⁻⁴ 每秒。然后，将保持时间设为 0 秒，循环次数设为 1 次，红外相机采集速率为 50 毫秒每帧，随后点击开始按钮以加载设置。现在，打开红外相机软件，选择一个文件名，并分配 5,000 帧。将触发源从内部切换为外部，然后启动数据采集模式。接着，打开控制程序并按下“开始实验”按钮以运行实验。为开始表征材料，首先打开用于训练和材料的控制程序。然后设置起始位置，使样品初始处于无载荷状态，并将目标位置设置为训练的目标位置，即 4,500 微米。接下来，根据需要设置应变率，并选择 9,000 微米/秒的线性直接驱动速度，这将导致横截面积为 0.75 毫米 × 1.4 毫米或更大的样品发生绝热相变。将保持时间设置为180秒，以确保样品在实验开始前有足够时间达到所需的初始温度。然后，将循环次数设置为1次，红外相机采集速率为每帧5毫秒，并点击开始按钮以加载设置。接下来，打开红外相机软件，选择一个文件名，并为实验分配80,000帧。将触发源从内部切换为外部，并启动数据采集模式。在控制程序中，按下“开始实验”按钮以启动实验。为了研究局部温度峰值，首先关闭光源。然后，从红外相机的视野中移除所有热源，并将镜头更换为显微镜头。接着，调整相机校准设置，加载显微镜头，并在20至50摄氏度范围内校准图像尺寸为500×250像素。使用电机调焦装置对样品进行调焦。然后，以900微米每秒的线性直接驱动速度进行标准拉伸试验，操作步骤如前所述。保持样品位置不变，启动红外相机软件，并加载配备近摄镜头的50毫米镜头的校准参数。选择图像尺寸为1,280 × 1,024像素，温度范围为负20至50摄氏度。打开控制程序并设置控制参数。设置形状记忆合金直线直接驱动器的起始位置，使样品处于无负载状态。同时，设置与训练目标位置相对应的目标位置。将线性直驱装置在加载和卸载形状记忆合金时的速度设置为 9,000 微米每秒。然后，将装置下层线性直驱的速度设置为 100 毫米每秒。接下来，将接触时间设置为 6 秒。在加载和卸载模式后选择接触，并将循环次数设置为40。选择红外相机的采集速率为每帧20毫秒，然后单击开始按钮以加载设置。在红外相机软件中，选择一个文件名，并为实验分配50,000帧。将触发源从内部切换为外部，并启动数据采集模式。最后，打开控制程序并按下开始实验按钮，这将启动弹热制冷循环。在此视频片段中，一根镍钛合金带材在训练过程中受到应变。受控拉伸导致平均温度升高了12.2开尔文。该材料表现出典型的滞后曲线，并最终稳定为如红色曲线所示的响应状态。此处展示的是镍钛铜钒合金带材，其滞后宽度随应变率的增加而增大。这是相变过程中温度变化的结果。图中显示，当达到某一程度后，温度变化不再随应变率的增加而进一步升高。该红外视频显示，随着冷却循环次数的增加，散热片与热源之间的温差增大，导致材料的最低温度和最高温度变化逐渐降低。在第一个循环之后，由于散热片和热源并未与整个条带完全接触，因而产生不均匀的温度分布。此处可看到拉伸试验实验结果与模拟结果的对比。该模拟的基础模型是对热力耦合的Mueller Achenbach Selleck模型的一种改进。这表明该模型能够再现材料的力学行为以及热学行为。因此，在实施该过程时，必须牢记设计要求包括监控所有冷却步骤，以及对变化参数进行直接控制。热封装将提高该过程的效率，但可观测性会显著降低。在后续开发实际装置时，当然需要对此予以考虑。通过该方法，除绝热过程控制外，还可实施其他工艺变体，例如非绝热与绝热结合的复合过程，以探究接触相时间等因素对过程效率及制冷功率的影响。观看本视频后，您应能充分理解弹热制冷效应，以及材料优化和工艺控制如何影响该过程的制冷功率和效率。

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