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Articolo metodologico

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

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DOI:

10.3791/53626

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2 maggio 2016

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1Lab for Measurement Technology, Saarland University, 2Intelligent Material Systems Lab, Saarland University, 3Lab for Material Science, Ruhr Universität Bochum

In questo articolo

Sommario

Vengono presentati metodi sperimentali per lo studio dei processi di raffreddamento allo stato solido e la caratterizzazione delle proprietà dei materiali elastocalorici delle leghe a memoria di forma (SMA). Un banco di prova su misura è stato progettato per il controllo e il monitoraggio completo dei processi di raffreddamento elastocalorico. Inoltre, fornisce una piattaforma di convalida per approcci di modellazione termomeccanicamente accoppiati.

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.

Introduzione

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.

figure-introduction-1
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.

figure-introduction-2
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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Protocollo

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 ( figure-protocol-1 ) E la lunghezza del campione iniziale (l 0) di 90 mm ​​(v = figure-protocol-2 ∙ 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

Nota: La validazione di modelli di materiali accoppiati termo-meccanico richiede esperimenti che aderiscono alla stabilizzazione di materiale o di caratterizzazione dei materiali. Utilizzare un filo di Ni-Ti con sezione di 0,6 mm per realizzare le indagini sperimentali.

  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 sec -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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Risultati

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 temperat...

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Discussione

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 fa...

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Dichiarazioni

Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Ringraziamenti

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).

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
Azionamenti diretti lineariESR-PollmeierML 1418-U5-W1SMA carico/scarico; trasferimento di calore
Cilindro pneumatico FestoADNGF-40 574031Contatto tra sorgente di calore/dissipatore e SMA
Sistema di misurazione induttivo della posizione AMOLMKA-1101.1NN-1.0-0
Cella di carico a trazione e compressioneFutekLCF451; FSH02241SMA force
Cella di carico a compressioneFutekLTH300; FSH00297Telecamera IR con forza
di contatto Infra TecImage IR 9360; M911291.280 x 1.024 pixel; Frame rate massimo 3.200 Hz
Controller in tempo reale National InstrumentsNI CompactRIO-9074Sistema di controllo e acquisizione dati
Vernice per telecamereTetenal105202

Riferimenti

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