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

L’objectif global de cette expérience est d’étudier les matériaux élastocaloriques et les processus de refroidissement élastocaloriques. À cette fin, un banc d’essai scientifique a été mis au point pour effectuer des caractérisations de matériaux de base et des contrôles avancés des processus élastocaloriques. Notre méthode décrit l’influence des propriétés du matériau et du contrôle du processus sur la puissance de refroidissement et l’efficacité du processus de refroidissement.

Les résultats permettent de développer des processus de refroidissement élastocaloriques optimisés, qui constituent la base de la conception de dispositifs de refroidissement efficaces. Lors d’un chargement adiabatique rapide, les chaleurs latentes de l’alliage à mémoire de forme entraînent une augmentation de la température pendant le chargement et une diminution de la température lors du déchargement ultérieur. L’étude du processus de refroidissement élastocalorique est le fruit d’une collaboration entre le groupe de science des matériaux de l’Université de la Ruhr à Bochum et deux groupes d’ingénierie mécatronique de l’Université de la Sarre, à Sarrebruck, en Allemagne.

Il s’agit de l’optimisation des matériaux ainsi que des procédés, ainsi que du développement d’un outil de simulation. Le banc d’essai scientifique développé permet d’étudier l’effet élastocalorique pour le transfert de chaleur à l’état solide entre l’alliage à mémoire de forme et une source de chaleur et l’alliage à mémoire de forme et un dissipateur thermique. Le principal avantage de cette technique est l’étude indépendante de l’influence de chaque paramètre de contrôle sur les valeurs du processus telles que le travail et la chaleur.

De plus, ce système est équipé d’un système complet pour mesurer les grandeurs mécaniques et terminales à chaque étape du processus. Pour commencer, utilisez des pieds à coulisse pour mesurer le ruban d’alliage à mémoire de forme et déterminer la section efficace de l’échantillon. Ensuite, enduire l’échantillon d’une fine couche d’une plaque à haute émissivité.

Ensuite, réglez la position cible dans le programme du contrôleur de moteur sur zéro micromètre et cliquez sur le bouton Fonctionnement activé. À cette position, la distance entre les pinces est de 90 millimètres. Placez l’échantillon entre les pinces du dispositif expérimental et utilisez un outil d’alignement spécialement conçu pour aligner l’échantillon.

Ensuite, utilisez une aide au montage pour serrer les pinces et une clé dynamométrique pour serrer les vis à une force de 20 newtons-mètres. La gamme du semper est très critique. La poulie sur semper tombera en panne après seulement quelques cycles.

Démarrez le logiciel de la caméra IR et chargez l’étalonnage pour un objectif de 50 millimètres combiné à un objectif gros plan. Choisissez une taille d’image de 1 280 x 100 pixels et une plage de température de moins 20 à 50 degrés Celsius, puis utilisez l’unité de mise au point motorisée pour positionner l’appareil photo. Ouvrez le programme de contrôle pour la formation et la caractérisation des matériaux.

Ensuite, réglez la position de départ sur zéro micromètre et choisissez une position cible de 4 500 micromètres, afin que le matériau subisse une transformation de phase complète. Réglez la vitesse d’entraînement direct linéaire à 45 microns par seconde, ce qui équivaut à une vitesse de déformation de cinq fois 10 puissance moins quatre par seconde. Ensuite, réglez le temps de maintien sur zéro seconde, le nombre de cycles sur un, le taux d’acquisition de la caméra IR sur 50 millisecondes par image, puis cliquez sur le bouton de démarrage pour charger les paramètres.

Maintenant, ouvrez le logiciel de la caméra IR, choisissez un nom de fichier et allouez 5 000 images. Passez d’une source de déclenchement interne à une source de déclenchement externe, puis démarrez le mode d’acquisition de données. Ensuite, ouvrez le programme de contrôle et appuyez sur le bouton de démarrage de l’expérience pour exécuter l’expérience.

Pour commencer à caractériser le matériau, ouvrez le programme de contrôle de la formation et du matériel. Ensuite, réglez la position de départ de manière à ce que l’échantillon soit sous charge nulle pour commencer, et réglez la position cible équivalente à la position cible de l’entraînement, qui était de 4 500 micromètres. Ensuite, réglez la vitesse de déformation comme vous le souhaitez et choisissez une vitesse d’entraînement direct linéaire de 9 000 micromètres par seconde, ce qui conduit à une transformation de phase adiabatique pour les échantillons dont la section transversale est de 0,75 millimètre sur 1,4 millimètre ou plus.

Réglez le temps de maintien à 180 secondes pour laisser suffisamment de temps à l’échantillon pour atteindre la température initiale souhaitée avant l’expérience. Ensuite, réglez le nombre de cycles sur un, le taux d’acquisition de la caméra IR sur 5 millisecondes par image, et cliquez sur le bouton de démarrage pour charger les paramètres. Ensuite, ouvrez le logiciel de la caméra IR, choisissez un nom de fichier et allouez 80 000 images à l’expérience.

Passez d’une source de déclenchement interne à une source de déclenchement externe, puis démarrez le mode d’acquisition de données. Dans le programme de contrôle, appuyez sur le bouton de démarrage de l’expérience pour démarrer l’expérience. Afin d’enquêter sur les pics de température locaux, éteignez d’abord la lumière.

Ensuite, retirez toutes les sources de chaleur du champ de vision de la caméra IR et remplacez l’objectif par un objectif de microscope. Ensuite, modifiez les paramètres d’étalonnage de l’appareil photo, chargez un objectif de microscope et calibrez une taille d’image de 500 x 250 pixels dans une plage de 20 à 50 degrés Celsius. Utilisez l’unité de mise au point du moteur pour focaliser l’échantillon.

Ensuite, effectuez un essai de traction standard à une vitesse d’entraînement direct linéaire de 900 microns par seconde, comme décrit précédemment. Avec l’échantillon toujours en place, démarrez le logiciel de la caméra IR et chargez l’étalonnage de l’objectif de 50 millimètres avec objectif gros plan. Choisissez une taille d’image de 1 280 x 1 024 pixels et une plage de température de moins 20 à 50 degrés Celsius.

Ouvrez le programme de contrôle et définissez les paramètres de contrôle. Réglez la position de départ de l’entraînement direct linéaire pour les alliages à mémoire de forme de sorte que l’échantillon soit à charge nulle. Définissez également la position cible équivalente à la position cible de l’entraînement.

Réglez la vitesse de l’entraînement direct linéaire pour le chargement et le déchargement de l’alliage à mémoire de forme à 9 000 micromètres par seconde. Ensuite, réglez la vitesse de l’entraînement direct linéaire au niveau inférieur de la configuration sur 100 millimètres par seconde. Ensuite, réglez le temps de contact sur six secondes.

Choisissez le contact après le mode de chargement et de déchargement et réglez le nombre de cycles sur 40. Choisissez un taux d’acquisition de caméra IR de 20 millisecondes par image, puis cliquez sur le bouton de démarrage pour charger les paramètres. Dans le logiciel de la caméra IR, choisissez un nom de fichier et allouez 50 000 images à l’expérience.

Passez d’une source de déclenchement interne à une source de déclenchement externe et démarrez le mode d’acquisition de données. Enfin, ouvrez le programme de contrôle et appuyez sur le bouton de démarrage de l’expérience. Cela commencera le cycle de refroidissement élastocalorique.

Dans ce clip vidéo, un ruban de nickel-titane est tendu pendant l’entraînement. L’étirement contrôlé conduit à une augmentation moyenne de la température de 12,2 degrés Kelvin. Le matériau suit une courbe d’hystérésis typique et finit par s’installer dans une réponse semblable à celle représentée en rouge.

Illustré ici avec un ruban nickel-titane-cuivre-vanadium, la largeur de l’hystérésis augmente avec l’augmentation des taux de déformation. Ceci est le résultat du changement de température lors de la transformation de phase. Le schéma montre qu’après un certain point, il n’y a plus d’augmentation du changement de température en réponse à l’augmentation de la vitesse de déformation.

Cette vidéo infrarouge montre qu’en augmentant le nombre de cycles de refroidissement, les différences de température entre le dissipateur thermique et la source de chaleur augmentent, ce qui entraîne une diminution du changement de température minimum et maximum du matériau. Après le premier cycle, un profil de température inhomogène se produit car le dissipateur thermique et la source de chaleur n’entrent pas en contact avec l’ensemble du ruban. Vous pouvez voir ici la comparaison entre l’expérience et la simulation d’un essai de traction.

Le modèle sous-jacent de la simulation est une modification du modèle de Mueller Achenbach Selleck couplé thermomécaniquement. Cela montre que le modèle est capable de reproduire le comportement mécanique et thermique du matériau. Ainsi, lors de la tentative de la procédure, il est important de se rappeler que les exigences de conception consistent à surveiller toutes les étapes de refroidissement, ainsi qu’un contrôle simple des paramètres de variation.

L’encapsulation thermique augmentera l’efficacité du processus, mais l’observabilité sera considérablement réduite. Pour le développement d’un appareil réel par la suite, vous devez bien sûr le prendre en considération. À la suite de cette procédure, d’autres variantes de processus en plus du contrôle du processus adiabatique, comme les processus combinés adiabatiques non adiabatiques, peuvent être effectuées afin de répondre à des questions supplémentaires telles que l’influence de la phase de contact et sur l’efficacité du processus et la puissance de refroidissement.

Après avoir regardé cette vidéo, vous devriez avoir une bonne compréhension de l’effet de refroidissement élastocalorique et de la façon dont l’optimisation des matériaux et le contrôle du processus influencent la puissance de refroidissement et l’efficacité du processus.