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

DOI:

10.3791/53626

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May 2nd, 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 This Article

Summary

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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

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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

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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 raffreddamen....

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Protocol

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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....

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Results

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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 .......

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Discussion

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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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Disclosures

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Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Acknowledgements

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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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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
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

References

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  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.

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Elastocaloric CoolingShape Memory AlloysNickel Titanium AlloysMechanical Loading ControlInfrared ThermographyFinite Element ModelingThermal Caloric MeasurementsProcess Efficiency AnalysisMaterial Property OptimizationExperimental Test Rig

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