Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.

Artykuł metodologiczny

Eksperymentalne metody badania procesów chłodzenia elastokalorycznego opartych na pamięci kształtu i walidacji modeli

10.8K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/53626

⸱

2 maja 2016

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

W tym artykule

Podsumowanie

Przedstawiono eksperymentalne metody badania procesów chłodzenia ciała stałego oraz charakterystyki właściwości materiałów elastokalorycznych stopów z pamięcią kształtu (SMA). Specjalnie skonstruowane stanowisko testowe zostało zaprojektowane do sterowania i kompleksowego monitorowania procesów chłodzenia elastokalorycznego. Ponadto stanowi platformę walidacyjną dla podejść do modelowania sprzężonego z termomechaniką.

Streszczenie

Shape Memory Alloys (SMA) wykorzystujące elastokaloryczne procesy chłodzenia mają potencjał, aby stać się przyjazną dla środowiska alternatywą dla konwencjonalnego procesu chłodzenia opartego na sprężaniu pary. Zwłaszcza systemy stopowe na bazie niklu i tytanu (Ni-Ti) wykazują duże efekty elastokaloryczne. Ponadto wykazują duże ciepło utajone, co jest niezbędną właściwością materiału do opracowania wydajnego procesu chłodzenia opartego na stanie stałym. Zaprojektowano naukowe stanowisko testowe do zbadania tych procesów i efektów elastokalorycznych w SMA. Zrealizowane stanowisko testowe umożliwia niezależną kontrolę mechanicznych cykli załadunku i rozładunku SMA, a także przewodzącego przenoszenia ciepła pomiędzy elementami chłodzącymi SMA a źródłem/pochłaniaczem ciepła. Stanowisko badawcze wyposażone jest w kompleksowy system monitoringu zdolny do zsynchronizowanych pomiarów parametrów mechanicznych i termicznych. Oprócz określenia pracy mechanicznej zależnej od procesu, system umożliwia również pomiar termicznych aspektów kalorycznych efektu chłodzenia elastokalorycznego dzięki zastosowaniu wysokowydajnej kamery na podczerwień. Ta kombinacja jest szczególnie interesująca, ponieważ pozwala na zilustrowanie wpływu lokalizacji i szybkości — oba te czynniki są ważne dla wydajnego przenoszenia ciepła z chłodzonego medium.

Prezentowana praca opisuje eksperymentalną metodę identyfikacji właściwości materiałów elastokalorycznych w różnych materiałach i geometriach próbek. Ponadto stanowisko testowe służy do badania różnych wariantów procesu chłodzenia. Wprowadzone metody analizy umożliwiają zróżnicowane uwzględnienie wpływu materiałów, procesów i związanych z nimi warunków brzegowych na efektywność procesu. Porównanie danych eksperymentalnych z wynikami symulacji (termomechanicznie sprzężonego modelu elementów skończonych) pozwala na lepsze zrozumienie fizyki leżącej u podstaw efektu elastokalorycznego. Ponadto wyniki eksperymentów, jak również ustalenia oparte na wynikach symulacji, są wykorzystywane do poprawy właściwości materiału.

Wprowadzenie

Procesy chłodzenia w fazie stałej oparte na materiałach ferroicznych mają potencjał, aby stać się ekologicznymi alternatywami dla konwencjonalnych procesów opartych na sprężaniu par. Materiały ferroiczne mogą wykazywać efekty magnetokaloryczne, elektrokaloryczne i elastokaloryczne 1,2, a także kombinacje tych efektów, określane jako zachowanie materiałów multikalorycznych 3. Różne efekty kaloryczne w materiałach ferroicznych są obecnie badane w ramach programu priorytetowego Niemieckiej Fundacji Nauki (DFG) SPP 1599 „Efekty kaloryczne w materiałach ferroicznych: nowe koncepcje chłodzenia” 4. Stopy z pamięcią kształtu (SMA), badane w ramach tego programu, wykazują duże efekty elastokaloryczne, w szczególności stopy na bazie Ni-Ti ze względu na ich duże ciepła utajone 5. Indukowana odkształceniem transformacja fazowa przy wysokich prędkościach odkształcenia prowadzi do znacznych zmian temperatury SMA, co przedstawiono na Rysunku 1. Adiabatyczna, egzotermiczna transformacja fazowa z austenitu w martenzyt zwiększa temperaturę SMA. Endotermiczna transformacja z martenzytu w austenit prowadzi do znaczącego spadku temperatury. Te elastokaloryczne właściwości materiałów mogą być wykorzystane w procesach chłodzenia w fazie stałej poprzez zastosowanie odpowiedniego cyklu obciążania i odciążania mechanicznego. Rysunek 2 przedstawia typowy elastokaloryczny cykl chłodzenia według cyklu Braytona. Wymiana ciepła między źródłem ciepła a zimnym, nieobciążonym SMA zachodzi przy niskich poziomach temperatury. W następnej fazie SMA znajduje się w stanie bezkontaktowym, a szybkie, adiabatyczne obciążanie prowadzi do znacznego wzrostu temperatury SMA. Następująca wymiana ciepła między gorącym SMA a radiatorami odbywa się przy stałym odkształceniu SMA. Po zakończeniu wymiany ciepła szybkie, adiabatyczne odciążanie prowadzi do znacznego spadku temperatury SMA poniżej temperatury źródła ciepła, po czym może rozpocząć się kolejny cykl chłodzenia i wymiana ciepła ze źródłem. Efektywność procesu chłodzenia elastokalorycznego zależy od wymaganej pracy mechanicznej i pochłoniętego ciepła.

Najpierw Shaw et al. 6,7 przeprowadzili eksperymenty monitorujące pole temperatury podczas prób rozciągania, w celu zbadania powstawania lokalnych pików temperatury podczas prób rozciągania pasków i drutów z SMA przy różnych prędkościach. Zastosowana metoda eksperymentalna łączyła pomiar parametrów mechanicznych (naprężenia, odkształcenia i prędkości odkształcania) z jednoczesną akwizycją pól temperatury za pomocą pomiarów termograficznych. Podczas obciążania i odciążania próbki SMA za pomocą maszyny do prób rozciągania, wykorzystano kamerę podczerwoną (IR) do rejestracji obrazów IR próbki SMA. Technika ta umożliwia badanie powstawania pików temperatury w zależności od prędkości odkształcania. Pomiar rozkładu temperatury na próbce jest bardzo istotny dla badania efektów elastokalorycznych oraz określenia właściwości chłodniczych materiału. Lokalny pomiar temperatury — poprzez zastosowanie kontaktowego pomiaru temperatury — nie jest wystarczający do charakterystyzacji właściwości chłodniczych materiału. Pomiar pola temperatury został również wykorzystany przez Cui et al. 8 do badania efektów elastokalorycznych w drutach Ni-Ti. Ponadto Ossmer et al. 9,10 wykazali, że termograficzne pomiary temperatury są również odpowiednie do badania efektów elastokalorycznych w cienkich warstwach na bazie Ni-Ti, co wymagało wysokiej częstotliwości klatek kamery IR w celu zbadania adiabatycznych przemian fazowych przy wysokich prędkościach odkształcania. Technika ta pozwala na badanie wielkości elastokalorycznych oraz jednorodności profilu temperatury, co ma istotny wpływ na wymianę ciepła w stanie stałym oraz efektywność procesów elastokalorycznych.

Wydajność chłodzenia materiału można określić, obliczając wymaganą pracę na podstawie pomiarów naprężenia/odkształcenia oraz ciepło (które można wyznaczyć, biorąc pod uwagę zmianę temperatury i pojemność cieplną materiału). Jednakże metoda eksperymentalna nie umożliwia badania materiału elastokalorycznego w warunkach procesowych. Obejmuje to wymianę ciepła między SMA a źródłem ciepła, co ma istotny wpływ na wydajność efektu chłodzenia.

Charakterystyka materiałowa warunków procesu chłodzenia oraz badanie procesów chłodzenia elastokalorycznego wymagają stanowiska badawczego umożliwiającego transfer ciepła w fazie stałej, czego nie można zbadać za pomocą żadnego istniejącego systemu komercyjnego. W tym celu opracowano nową platformę badawczą. Stanowisko badawcze jest skonstruowane na dwóch poziomach, jak pokazano na Ryc. 3. Poziom górny umożliwia podstawową charakterystykę materiału elastokalorycznego i wstępne procedury treningowe, podobnie jak w wcześniej opisanej metodzie (patrz Ryc. 4). Układ jest wyposażony w liniowy napęd bezpośredni zdolny do obciążania i odciążania SMA przy szybkościach odkształcania do 1 sec-1 (patrz Ryc. 5). Liniowy napęd bezpośredni umożliwia badanie próbek o przekroju do 1.8 mm2, podczas gdy typowa długość próbki wynosi 90 mm. Przewagą liniowego napędu bezpośredniego jest wysoka prędkość i wysokie przyspieszenie — w przeciwieństwie do napędów śrubowych z kulkami, które są typowo stosowane w próbach rozciągania. Ponadto czujnik siły, a także zintegrowany system pomiaru pozycji napędu liniowego, dostarczają danych pomiarowych dotyczących mechaniki. Do pomiaru profilu temperatury SMA z częstotliwością do 40 Hz (w wymaganym zakresie temperatur) wykorzystywana jest wysokorozdzielcza kamera IR (1,280 x 1,024 pikseli). Zastosowanie obiektywu mikroskopowego o rozdzielczości 15 µm/piksel umożliwia badanie lokalnych efektów temperaturowych. Dolny poziom stanowiska badawczego zawiera mechanizm pozwalający na naprzemienny przewodniczący transfer ciepła między SMA a źródłem ciepła/radiatorem (patrz Ryc. 6 i 7). Liniowy napęd bezpośredni na dolnym poziomie przełącza połączenie między źródłem ciepła a SMA oraz od SMA do radiatora, podczas gdy cylinder pneumatyczny podnosi i opuszcza źródło ciepła/radiator (patrz Ryc. 8). Każdy siłownik może być sterowany niezależnie, co pozwala na badanie różnych wariantów procesu chłodzenia. Kompleksowy system pomiarowy umożliwia pomiary parametrów mechanicznych: pozycji siłownika, prędkości siłownika, siły obciążania SMA, siły kontaktu między SMA a źródłem ciepła/radiatorem podczas transferu ciepła, a także parametrów termicznych (t.j. temperatur wewnątrz źródła ciepła/radiatora, rozkładu temperatury na powierzchni SMA oraz źródła ciepła/radiatora). Bardziej szczegółowy opis naukowej platformy badawczej przedstawiono w pracy Schmidt et al. 1.

Schemat układu testowego SMA z napędem liniowym, kamerą IR, zaciskami oraz ogniwem obciążenia do analizy naprężeń.
Rysunek 5. Schemat górnego poziomu stanowiska badawczego. Liniowy napęd bezpośredni do załadunku i rozładunku próbki SMA z zintegrowanym systemem pomiaru położenia; ogniwo odciążające do pomiaru sił rozciągających, a także wysokorozdzielcza kamera IR (1280 x 1024 piksele) do rejestracji profilu temperatury.

Schemat układu analizy termicznej z źródłem ciepła, czujnikami, cylindrem pneumatycznym i liniowym układem napędowym.
Rysunek 7. Schemat dolnego poziomu stanowiska badawczego. Liniowy napęd bezpośredni do przełączania pomiędzy radiatorem a źródłem ciepła; cylinder pneumatyczny zapewniający kontakt próbki SMA ze źródłem/radiatorem ciepła; w radiatorze i źródle ciepła zintegrowano czujniki temperatury do pomiaru temperatury rdzenia bloków. W mechanizmie wymiany ciepła zintegrowano ogniwo obciążenia ściskania do pomiaru siły nacisku między SMA a źródłem/radiatorem ciepła, którego nie przedstawiono na tym schemacie.

Stanowisko badawcze umożliwia badanie różnych składów stopów, rozmiarów próbek oraz ich geometrii (taśmy, druty). Ponadto układ ten pozwala na kompleksowe badania materiałów elastokalorycznych i procesów chłodzenia. Opisane wcześniej eksperymenty mogą zostać przeprowadzone, a sposób ich wykonania zostanie szczegółowo omówiony krok po kroku w sekcji protokołu niniejszego opracowania.

Stabilizacja materiału:

Stabilne zachowanie materiału jest istotne dla zastosowania materiałów elastokalorycznych w systemach chłodzenia. W tym celu stosuje się procedurę stabilizacji mechanicznej. Podczas tej procedury materiał poddawany jest cyklom obciążania i odciążania mechanicznego, co wywołuje przemianę fazową z austenitu w martenzyt. Stabilizacja materiału wykazuje silną zależność od prędkości procesu. Wysokie prędkości obciążania prowadzą do zmiany temperatury materiału, co jest spowodowane ciepłem utajonym przemiany fazowej. Zmiana temperatury ta ma podobny wpływ na stabilizację materiału, jak mechaniczne cykle treningowe w różnych temperaturach 12-15. Oprócz dobrze znanej stabilizacji mechanicznej 13 i kalorycznej 16, przy użyciu zaprojektowanego układu i termografii 17 można zaobserwować stabilizację termiczną materiału.

Charakterystyka materiału:

Po wstępnej procedurze treningu mechanicznego materiał wykazuje stabilne właściwości mechaniczne, termiczne i kaloryczne, co pozwala na charakterystykę właściwości materiału elastokalorycznego. W związku z tym przeprowadza się cykle mechaniczne przy różnych prędkościach, przy czym – w przeciwieństwie do procedury treningu – charakterystyka elastokaloryczna obejmuje fazę utrzymania po obciążeniu i odciążeniu. W czasie trwania fazy utrzymania odkształcenie SMA pozostaje stałe, aż do ponownego osiągnięcia temperatury otoczenia. Ten rodzaj eksperymentu jest niezbędny do wyznaczenia najniższej osiągalnej temperatury po odciążeniu, rozpoczynając od poziomu temperatury otoczenia, a także do określenia sprawności materiału. Można zaobserwować zależne od prędkości tworzenie się lokalnych szczytów temperatury, przy czym wyższe prędkości prowadzą do coraz bardziej jednorodnego rozkładu temperatury. Co więcej, wraz ze zwiększaniem prędkości odkształcenia zmiana temperatury równomiernie rośnie, aż do osiągnięcia warunków adiabatycznych. Sprawność materiału można określić poprzez obliczenie wymaganej pracy mechanicznej na podstawie wykresu siła-przemieszczenie z eksperymentu adiabatycznego, a także ciepła możliwego do pochłonięcia, w oparciu o średnią zmianę temperatury materiału podczas odciążania oraz pojemność cieplną próbki.

Proces chłodzenia elastokalorycznego:

Badanie wydajności chłodzenia SMA w warunkach procesowych wymaga analizy wymiany ciepła pomiędzy medium chłodzącym SMA a źródłem ciepła oraz radiatorami. W tym celu SMA styka się z ciałem stałym będącym źródłem ciepła (po adiabatycznym odciążeniu) oraz radiatorem (po adiabatycznym obciążeniu). Wydajność procesu w dużym stopniu zależy od sterowania procesem i warunków brzegowych wymiany ciepła. Kompleksowe badanie procesu chłodzenia wymaga zmiany parametrów sterowania w celu wyznaczenia najwydajniejszego sposobu kontroli procesu. Należy zbadać indywidualny wpływ poszczególnych parametrów (czasu kontaktu, odkształcenia SMA, prędkości odkształcania SMA, fazy kontaktu (kontakt podczas fazy obciążania/odciążania lub po niej) oraz siły kontaktu) na efektywność procesu. Ponadto należy uwzględnić wpływ zmieniających się warunków brzegowych wymiany ciepła wraz ze zwiększającą się liczbą cykli chłodzenia.

Walidacja modelu:

Opracowanie termomechanicznie sprzężonego modelu materiałowego, zdolnego do odtworzenia mechanicznego i termicznego zachowania materiału podczas cyklu chłodzenia, jest kluczowe dla rozwoju nowej technologii chłodzenia. Model ten umożliwia optymalizację materiału i procesu poprzez zmniejszenie nakładów na badania eksperymentalne i rozwój materiałowy. Walidacja wymaga wstępnej izotermicznej próby rozciągania ustabilizowanego materiału w celu wygenerowania niezbędnych danych wejściowych dotyczących właściwości mechanicznych (modułu sprężystości fazy austenitu i martenzytu, szerokości histerezy mechanicznej oraz odkształcenia transformacyjnego). Walidacja modelu odbywa się na podstawie prób rozciągania przy różnych prędkościach. Wymagane kaloryczne dane wejściowe dla modelu można wyznaczyć za pomocą różnicowej kalorymetrii skaningowej (DSC) po przeprowadzeniu doświadczeń mechanicznych. Pomiary DSC muszą zostać wykonane po próbie mechanicznej, aby zmierzyć kaloryczne właściwości materiałowe ustabilizowanej próbki.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

1. Przygotowanie próbek

  1. Zmierz taśmę SMA za pomocą suwmiarki i wyznacz powierzchnię przekroju poprzecznego próbki.
  2. Przygotuj próbkę do pomiarów IR, pokrywając taśmę cienką warstwą farby o wysokiej emisyjności (ε=0.96).
    Uwaga: Farba jest klasyfikowana jako substancja drażniąca. Podczas pracy z farbą należy stosować rękawice, okulary ochronne i ochronę dróg oddechowych.

2. Stabilizacja materiału (Szkolenie)

Uwaga: Wstępne cykle mechaniczne prowadzą do stabilizacji mechanicznej i termicznej materiału. Badanie efektu stabilizacji, jak i sama procedura treningowa, wymagają użycia siłownika oraz czujników zamontowanych na górnym poziomie stanowiska testowego, a także kamery IR.

  1. Uruchom program sterownika silnika i sprawdź załadowane ustawienia. Zmień ustawienia na tryb pozycjonowania (position mode) oraz tryb sterowania (command mode). Zweryfikuj, czy silnik znajduje się w trybie aktywnym.
  2. Ustaw pozycję docelową w programie sterownika silnika na 0 µm następnie należy kliknąć przycisk „operation enable” — w tej pozycji odległość między zaciskami wynosi 90 mm.
  3. Umieść próbkę pomiędzy zaciskami układu eksperymentalnego i użyj specjalnie zaprojektowanego narzędzia do centrowania, aby wyrównać próbkę.
  4. Zaciśnij zaciski, korzystając z przyrządu montażowego, aby uniknąć obciążenia zginającego przetwornika siły i próbki. Do dokręcania śrub użyj klucza dynamometrycznego, aby zapewnić powtarzalną siłę zacisku (moment dokręcania: 20 Nm).
  5. Sprawdź aktualną pozycję silnika i upewnij się, że silnik znajduje się w pozycji startowej (0 µm).
  6. Uruchom oprogramowanie kamery IR i wczytaj kalibrację dla obiektywu 50 mm w połączeniu z soczewką bliskiego planu. Wybierz rozmiar obrazu 1280 x 10 pikseli oraz zakres temperatur od -20 °C Proszę podać tekst źródłowy do tłumaczenia. 50 °CUstaw kamerę za pomocą zmotorowanej jednostki ostrości i upewnij się, że cała próbka znajduje się w polu widzenia kamery.
    Uwaga: Kamera IR, w połączeniu z wybranym systemem obiektywów, posiada ogniskową (f) wynoszącą 50 mm, przysłonę f/2 oraz minimalny rozmiar piksela wynoszący 60 µm przy odległości roboczej 20 mm.
  7. Otwórz program sterujący do celów treningowych i charakterystyki materiałowej, a następnie ustaw parametry sterowania (przesunięcie, prędkość, czas podtrzymania, siłę maksymalną i minimalną, liczbę cykli oraz częstotliwość odświeżania klatek kamery).
    1. Ustaw pozycję początkową (0 µm) i wybierz pozycję docelową (4,500 µmaby materiał przeszedł całkowitą przemianę fazową.
    2. Ustaw prędkość liniowego napędu bezpośredniego (prędkość obciążania/odciążania), aby uzyskać pożądaną prędkość odkształcania. Wybierz prędkość odkształcania 5 x 10-4 sek-1 (prędkość siłownika) 45 µm/sec) do szkolenia związanego z procesem chłodzenia.
      1. Wyznacz prędkość liniową napędu bezpośredniego (v) na podstawie wybranego tempa odkształcenia (Równowaga statyczna, schemat ΣFx=0; równania wykazują stan równowagi, przejrzystość na potrzeby dydaktyczne.) oraz początkową długość próbki (l0) 90 mm (v = Równowaga statyczna, schemat ΣFx=0; równania obrazują stan równowagi, przejrzystość do celów edukacyjnych.∙l0)
    3. Ustaw czas podtrzymania na 0 s.
    4. W przypadku pierwszej analizy nowej próbki ustaw liczbę cykli na 1.
    5. Ustaw minimalny i maksymalny poziom siły dla konkretnej próbki, aby uniknąć obciążenia ściskającego oraz przeciążenia rozciągającego (obciążenie minimalne 1 MPa, obciążenie maksymalne 80 MPa).
    6. Wybierz częstotliwość akwizycji kamery IR wynoszącą 50 ms/klatkę (20 klatek na sekundę).
    7. Kliknij przycisk start, aby załadować ustawienia.
  8. Uruchom oprogramowanie kamery IR, wybierz nazwę pliku i zarezerwuj 5 00 klatek.
    1. Przełącz źródło wyzwalania z wewnętrznego na zewnętrzne i uruchom tryb akwizycji danych.
  9. Otwórz program sterujący i naciśnij przycisk rozpoczęcia eksperymentu.
  10. Wizualizacja danych
    1. Po zakończeniu eksperymentu należy wprowadzić dane do oprogramowania do przetwarzania danych i zwizualizować je w postaci wykresów siły w funkcji przemieszczenia, naprężenia w funkcji odkształcenia, siły w funkcji czasu oraz położenia w funkcji czasu.
    2. Wczytaj dane IR do oprogramowania kamery IR i oceń profile temperatury w funkcji czasu. Zdefiniuj obszar pomiarowy obejmujący powierzchnię taśmy SMA, a następnie wykreśl średnią maksymalną i minimalną temperaturę próbki w funkcji czasu.
  11. Powtarzać kroki od 2.6 do 2.9, aż materiał wykaże stabilne zachowanie mechaniczne, i dostosować pozycję początkową w celu skompensowania odkształceń resztkowych.
    1. Po pierwszych 10 cyklach zwiększyć liczbę cykli na eksperyment do 10 i kontynuować badania aż do uzyskania stabilnego zachowania materiału.

3. Charakterystyka materiału

Uwaga: Charakterystyka materiału wymaga użycia siłownika i czujników zamontowanych na górnym poziomie stanowiska badawczego, a także kamery IR. Podczas procedury charakterystyki próbka jest obciążana i odciążana z różną prędkością, z zachowaniem okresu stabilizacji po obciążeniu i odciążeniu.

  1. Jeśli taśma SMA została zwolniona z uchwytów, a system sterowania stanowiska badawczego został wyłączony po treningu, należy powtórzyć kroki 2.1–2.6 i ponownie zamocować próbkę. W przeciwnym razie należy postąpić w następujący sposób.
  2. Otwórz program sterujący do treningu i charakterystyki materiałowej i ustaw parametry sterowania (przemieszczenie, prędkość, czas utrzymania, liczbę cykli oraz częstotliwość klatek kamery).
    1. Ustaw pozycję początkową tak, aby próbka znajdowała się pod obciążeniem zerowym, a pozycję docelową ustaw zgodnie z pozycją docelową treningu (4 50 µm).
    2. Ustaw prędkość liniową napędu bezpośredniego (prędkość obciążania/odciążania), aby uzyskać żądaną prędkość odkształcania. Wybierz prędkość odkształcania 1 x 10-1 sec-1 (prędkość siłownika 9 0 µm/sec), co prowadzi do adiabatycznej przemiany fazowej dla próbek o przekroju 0,75 mm x 1,4 mm lub większym.
    3. Ustaw czas utrzymania na 180 sec, co jest wystarczające, aby próbka osiągnęła początkowy poziom temperatury.
      Uwaga: Czas utrzymania musi zostać zweryfikowany po eksperymencie poprzez obliczenie stałej czasowej wyrównania termicznego (τ); jeśli czas utrzymania jest mniejszy niż 4 x τ, należy go zwiększyć przed rozpoczęciem kolejnego eksperymentu charakterystyki.
    4. Ustaw liczbę cykli na 1.
    5. Ustaw specyficzne dla próbki minimalny i maksymalny poziom siły, aby uniknąć obciążenia ściskającego i przeciążenia rozciągającego (obciążenie minimalne 1 MPa, obciążenie maksymalne 80 MPa).
    6. Wybierz częstotliwość akwizycji kamery IR wynoszącą 5 msec/klatkę (20 klatek na sekundę).
    7. Kliknij przycisk start, aby załadować ustawienia.
  3. Otwórz oprogramowanie kamery IR, wybierz nazwę pliku i przydziel 80 0 klatek.
    1. Przełącz źródło wyzwalania z wewnętrznego na zewnętrzne i uruchom tryb akwizycji danych.
  4. Otwórz program sterujący i naciśnij przycisk start eksperymentu.
  5. Załaduj dane IR do oprogramowania kamery IR. Przedstaw średnie maksymalne i minimalne temperatury próbki w funkcji czasu. Wyeksportuj dane i oblicz stałą czasową wyrównania termicznego za pomocą oprogramowania do przetwarzania danych 10,11.
  6. W razie potrzeby dostosuj czas utrzymania na podstawie obliczonej stałej czasowej wyrównania termicznego.
  7. Powtórz kroki 3.2–3.5, zmieniając prędkość odkształcania w zakresie od 5 x 10-5 sec-1 do 1 x 10-1 sec-1, a także odkształcenie od 2% do maksymalnego odkształcenia 5% (maksymalne odkształcenie odpowiada maksymalnemu odkształceniu podczas treningu).
  8. Badanie lokalnych szczytów temperatury:
    Uwaga: Materiał wykazuje zależny od prędkości efekt lokalizacji efektu elastokalorycznego. Dokładne badanie tych efektów wymaga wysokiej rozdzielczości przestrzennej profilu temperatury SMA. W tym celu obiektyw kamery IR należy zastąpić obiektywem mikroskopowym. Obiektyw mikroskopowy posiada aperturę 3,0, powiększenie 1X i rozmiar piksela 15 µm przy odległości roboczej 195 mm.
    1. Wyłącz światło, usuń wszystkie źródła ciepła z pola widzenia kamery IR i wymień obiektyw.
    2. Zmień ustawienia kalibracji kamery i załaduj kalibrację obiektywu mikroskopowego w zakresie temperatur od 20 °C do 50 °C oraz dla rozmiaru obrazu 500 x 250 pikseli. Użyj jednostki ostrości motorowej, aby ustawić ostrość na próbce.
    3. Wykonaj próbę rozciągania przy prędkości odkształcania 1 x 10-1 sec-1 (9 0 μm/sec), postępując zgodnie z krokami opisanymi w sekcji 2: Stabilizacja materiału.
  9. Wizualizacja danych
    1. Załaduj dane mechaniczne do oprogramowania do przetwarzania danych i zwizualizuj je w formie wykresów siła/przemieszczenie, naprężenie/odkształcenie, siła/czas oraz pozycja/czas.
    2. Załaduj dane IR do oprogramowania kamery IR i przeanalizuj rozdzielcze w czasie profile temperatury. Zdefiniuj obszar pomiarowy obejmujący powierzchnię taśmy SMA i przedstaw średnią maksymalną oraz minimalną temperaturę próbki w funkcji czasu.

4. Proces chłodzenia elastokalorycznego

Uwaga: Badanie procesów chłodzenia elastokalorycznego wymaga zastosowania siłowników i czujników na górnym i dolnym poziomie układu, a także kamery IR. Eksperymenty te obejmują zmianę parametrów sterowania w celu optymalizacji wydajności procesu.

  1. Jeśli taśma SMA została zwolniona z zacisków, a zestaw testowy został wyłączony po charakterystyce materiałowej, powtórz kroki od 2.1 do 2.5 i ponownie zamocuj próbkę. Jeśli tak nie było, postępuj w następujący sposób.
  2. Uruchom oprogramowanie kamery IR i załaduj kalibrację dla obiektywu 50 mm z soczewką zbliżeniową. Wybierz rozmiar obrazu 1 280 x 1 024 piksele i zakres temperatur od -20 °C do 50 °C. Ustaw kamerę za pomocą jednostki motorowego ostrzenia i upewnij się, że cała próbka znajduje się w polu widzenia kamery.
    Uwaga: Kamera IR w połączeniu z wybranym systemem soczewek ma ogniskową (f) 50 mm, przysłonę f/2 i minimalną wielkość piksela 60 µm przy odległości roboczej 20 mm.
  3. Otwórz program sterujący procesami chłodzenia elastokalorycznego i ustaw parametry sterowania (przemieszczenie pierwszego liniowego napędu bezpośredniego (poziom górny), prędkość pierwszego i drugiego liniowego napędu bezpośredniego, czas kontaktu, siła maksymalna i minimalna, faza kontaktu, liczba cykli oraz częstliwość klatek kamery).
    1. Ustaw pozycję startową liniowego napędu bezpośredniego dla obciążania i odciążania SMA tak, aby próbka była pod zerowym obciążeniem, i ustaw pozycję docelową równą pozycji docelowej treningu (4 50 µm).
    2. Ustaw prędkość (prędkość obciążania/odciążania) liniowego napędu bezpośredniego dla obciążania i odciążania SMA, aby uzyskać szybkość odkształcenia 1 x 10-1 sec-1 (9 00 µm/sec). Ustaw prędkość liniowego napędu bezpośredniego w dolnym poziomie zestawu na 100 mm/sec.
    3. Ustaw czas kontaktu na 6 sec.
      Uwaga: Czas kontaktu określa czas trwania przekazywania ciepła i może być ustawiony na dowolną wartość powyżej 10 msec.
    4. Wybierz tryb kontaktu po obciążeniu/odciążeniu.
      Uwaga: Faza kontaktu wpływa na to, czy obciążanie i odciążanie ma charakter adiabatyczny (kontakt po obciążeniu/odciążeniu), czy jest połączone z przekazywaniem ciepła do radiatora/źródła ciepła (kontakt podczas obciążania/odciążania).
    5. Ustaw liczbę cykli na 40.
    6. Ustaw specyficzne dla próbki minimalny i maksymalny poziom siły, aby uniknąć obciążenia ściskającego i przeciążenia rozciągającego (obciążenie minimalne 1 MPa, obciążenie maksymalne 80 MPa).
    7. Wybierz szybkość akwizycji kamery IR 20 msec/klatkę (50 klatek na sekundę). Kliknij przycisk start, aby załadować ustawienia.
  4. Otwórz oprogramowanie kamery IR, wybierz nazwę pliku i przydziel 50 0 klatek. Przełącz źródło wyzwalania z wewnętrznego na zewnętrzne i uruchom tryb akwizycji danych.
  5. Otwórz program sterujący i naciśnij przycisk start eksperymentu.
  6. Wizualizacja danych
    1. Po zakończeniu eksperymentu załaduj dane do oprogramowania do przetwarzania danych i zwizualizuj następujące parametry: siła/przemieszczenie, naprężenie/odkształcenie, temperatura/czas (temperatura radiatora/źródła ciepła), siła/czas, siła kontaktu/czas oraz pozycja liniowych siłowników/czas.
    2. Załaduj dane IR do oprogramowania kamery IR i oceń rozdzielcze w czasie profile temperatury. Zdefiniuj trzy obszary pomiarowe obejmujące powierzchnię próbki SMA oraz powierzchnię radiatora i źródła ciepła. Eksportuj rozdzielcze w czasie średnie, maksymalne i minimalne dane temperatury dla zdefiniowanych obszarów pomiarowych i załaduj je do oprogramowania do przetwarzania danych.
    3. Zwizualizuj dane IR na wykresie temperatura/czas.
  7. Powtórz eksperyment, zmieniając następujące parametry: odkształcenie, czas kontaktu oraz fazę kontaktu.

5. Walidacja modelu

Uwaga: Walidacja modeli materiałowych z sprzężeniem termomechanicznym wymaga przeprowadzenia eksperymentów zgodnych ze stabilizacją materiału lub charakterystyką materiałową. Do wykonania badań eksperymentalnych należy użyć drutu Ni-Ti o przekroju 0,6 mm.

  1. Przeprowadź izotermiczną próbę rozciągania przy prędkości odkształcania 5 x 10-5 sec-1 i odkształceniu 5%, następnie wykonaj kroki opisane w sekcji 2.
  2. Po zakończeniu eksperymentu wprowadź dane do oprogramowania do przetwarzania danych i zwizualizuj pomiar naprężenia/odkształcenia. Oblicz moduł sprężystości fazy austenitu i martenzytu, odkształcenie transformacyjne oraz szerokość histerezy. Wspomniane dane służą jako mechaniczne dane wejściowe dla modelu 7.
  3. Przeprowadź kolejne próby rozciągania przy prędkościach odkształcania 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 , aby wygenerować dane walidacyjne dla modelu.
  4. Po zakończeniu eksperymentów wyjmij próbkę z systemu pomiarowego i przeprowadź pomiar różnicowej kalorymetrii skaningowej (DSC) 18, aby określić kaloryczne właściwości materiałowe (ciepła utajone przemiany fazowej i cieplna pojemność właściwa materiału) ustabilizowanego materiału.
    Uwaga: Pomiary DSC dostarczają kalorycznych danych wejściowych dla modelu sprzężonego termo-mechanicznie.
  5. Uruchom symulację prób rozciągania opisanych w kroku 5.3.
    1. Zaimplementuj niestandardowy model dla stopów z pamięcią kształtu w dostępnym komercyjnie oprogramowaniu do analizy elementów skończonych:
      1. Wybierz węzeł Geometry i wybierz Interval, aby narysować jednowymiarową geometrię drutu.
      2. Wybierz węzeł Parameters, aby zdefiniować parametry modelu zidentyfikowane na podstawie testów mechanicznych w kroku 5.2.
      3. Kliknij prawym przyciskiem myszy węzeł Definitions i wybierz Variables, aby utworzyć węzeł Variables. Wybierz węzeł Variables i zdefiniuj algorytm wyznaczania prawdopodobieństw przejścia wyprowadzony z termodynamiki statystycznej 19.
      4. Wybierz Add Physics i dodaj Coefficient Form PDE lub General Form PDE, aby zdefiniować zestaw jednowymiarowych równań różniczkowych cząstkowych opisujących zachowanie superelastycznego stopu z pamięć kształtu, składający się ze stacjonarnego bilansu pędu, bilansu energii wewnętrznej i równań kinetycznych przemiany fazowej 20.
    2. Wybierz podwęzeł Initial Values, aby ustawić temperaturę początkową drutu na temperaturę otoczenia.
      1. Wybierz Dirichlet Boundary Condition, aby określić mechaniczne warunki brzegowe dla aplikowania odkształcenia zgodnie z procedurą eksperymentalną opisaną w sekcji 2, dla prędkości odkształcania w kroku 5.3, ograniczając przemieszczenie jednego końca drutu i określając przemieszczenie drugiego końca.
      2. Wybierz Dirichlet Boundary Condition, aby ustawić termiczne warunki brzegowe na temperaturę stałą ze względu na masywne zaciski w porównaniu do cienkiego drutu.
        Uwaga: Standardowe ustawienia oprogramowania do elementów skończonych nie prowadzą do zbieżnego rozwiązania.
      3. Wybierz podwęzły Solver Configuration, aby zmodyfikować standardowe ustawienia (np. tolerancje bezwzględne i względne oraz współczynnik tłumienia nieliniowego, iteracyjnego solvera Newtona-Raphsona) i kliknij „Compute”, aby uruchomić solver.
  6. Analiza danych
    1. Wprowadź wyniki eksperymentalne i symulacyjne do oprogramowania do analizy danych i zwizualizuj dane mechaniczne i termiczne.
    2. Porównaj wyniki eksperymentalne i symulacyjne, odpowiednio w zakresie zachowania mechanicznego (odpowiedź naprężenie/odkształcenie) i termicznego (przestrzenna ewolucja temperatury próbki) materiału.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

Stabilizacja materiału (Trening):

Rysunek 9 przedstawia wykres naprężenie/odkształcenie dla 50 cykli treningowych. Badana próbka to taśma Ni-Ti o przekroju A = 1,45 mm2. Zastosowana prędkość odkształcania 1 x 10-3 sec-1 prowadzi do średniego wzrostu temperatury ΔT = 12,2 K. Wzrost temperatury ma istotny wpływ na efekt stabilizacji 12-14; opr...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

Prezentowane naukowe stanowisko badawcze umożliwia kompleksowe badanie materiałów elastokalorycznych i procesów chłodzenia poprzez wykonanie eksperymentów opisanych w rozdziale protokołu. Precyzyjne wyrównanie próbki przed zaciśnięciem ma kluczowe znaczenie dla wszystkich eksperymentów. Złe wyrównanie może potencjalnie prowadzić do przedwczesnej awarii materiału. Ponadto maksymalne zastosowane odkształcenie ma znaczący wpływ na żywotność materiału, podczas gdy odkształcenie wymagane do osiągnięcia pełnej przemiany fazowe...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

Autorzy pragną podziękować za wsparcie priorytetowego programu DFG 1599 "Efekty kaloryczne w materiałach ferroicznych: Nowe koncepcje chłodzenia" (Projekty: EG101/23-1, SCHU2217/2-1, SE704/2-1, EG101/29-2, SCH2217/3-2, SE704/2-2).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Bezpośrednie napędy linioweESR-PollmeierML 1418-U5-W1SMA załadunek/rozładunek; wymiana ciepła
Siłownik pneumatyczny FestoADNGF-40 574031Kontakt między źródłem ciepła/zlewozmywakiem a SMA
Indukcyjny system pomiaru położenia AMOLMKA-1101.1NN-1.0-0
Czujnik wagowy na rozciąganie i ściskanieFutekLCF451; FSH02241SMA force
Czujnik tensometrycznyFutekLTH300; FSH00297Kamera na
podczerwieńInfra TecImage IR 9360; M911291 280 x 1 024 pikseli; Maksymalna częstotliwość odświeżania 3,200 Hz
Kontroler czasu rzeczywistego National InstrumentsNI CompactRIO-9074System gromadzenia i kontroli danych
Lakier do kameryTetenal105202

Bibliografia

  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. On the thermodynamic foundations of solid-state cooler based on multiferroic materials. Int. J. Refrig. 37, 249-256 (2014).
  4. Caloric Effects in Ferroic Materials: New Concepts for Cooling. , Available from: http://www.ferroiccooling.de/ (2012).
  5. Moya, X., Kar-Narayan, S., Mathur, N. D. Caloric materials near ferroic phase transitions. Nat. Mater. 13 (5), 439-450 (2014).
  6. Shaw, J. A., Kyriakides, S. On the nucleation and propagation of phase transformation fronts in a NiTi alloy. Acta Mater. 45 (2), 683-700 (1997).
  7. Chang, B. -C., Ja Shaw,, Iadicola, M. A. Thermodynamics of Shape Memory Alloy Wire: Modeling Experiments, and Application. Contin. Mech. Thermodyn. 18 (1-2), 83-118 (2006).
  8. Cui, J., Wu, Y. M., et al. Demonstration of high efficiency elastocaloric cooling with large Delta T using NiTi wires. Appl. Phys. Lett. 101 (7), 073904(2012).
  9. Ossmer, H., Lambrecht, F., Gültig, M., Chluba, C., Quandt, E., Kohl, M. Evolution of temperature profiles in TiNi films for elastocaloric cooling. Acta Mater. 81, 9-20 (2014).
  10. Ossmer, H., Chluba, C., Krevet, B., Quandt, E., Rohde, M., Kohl, M. Elastocaloric cooling using shape memory alloy films. J. Phys. Conf. Ser. 476 (1), 012138(2013).
  11. Schmidt, M., Schütze, A., Seelecke, S. Scientific test setup for investigation of shape memory alloy based elastocaloric cooling processes. Int. J. Refrig. 54, 88-97 (2015).
  12. Tobushi, H., Shimeno, Y., Hachisuka, T., Tanaka, K. Influence of strain rate on superelastic properties of TiNi shape memory alloy. Mech. Mater. 30 (2), 141-150 (1998).
  13. Miyazaki, S., Mizukoshi, K., Ueki, T., Sakuma, T., Liu, Y. Fatigue life of Ti-50 at.% Ni and Ti-40Ni-10Cu (at.%) shape memory alloy. Mater. Sci. Eng. A. 273-275, 658-663 (1999).
  14. Olbricht, J., Yawny, A., Condò, A. M., Lovey, F. C., Eggeler, G. The influence of temperature on the evolution of functional properties during pseudoelastic cycling of ultra fine grained NiTi. Mater. Sci. Eng. A. 481-482, 142-145 (2008).
  15. Tušek, J., Engelbrecht, K., Mikkelsen, L. P., Pryds, N. Elastocaloric effect of Ni-Ti wire for application in a cooling device. J. Appl. Phys. 117 (12), 124901(2015).
  16. Zarnetta, R., Takahashi, R., et al. Identification of Quaternary Shape Memory Alloys with Near-Zero Thermal Hysteresis and Unprecedented Functional Stability. Adv. Funct. Mater. 20 (12), 1917-1923 (2010).
  17. Schmidt, M., Ullrich, J., et al. Thermal Stabilization of NiTiCuV Shape Memory Alloys: Observations During Elastocaloric Training. Shape Mem. Superelasticity. , (2015).
  18. Höhne, G., Hemminger, W., Flammersheim, H. -J. Differential Scanning Calorimetry. , Berlin Heidelberg Springer-Verlag. (2003).
  19. Heintze, O., Seelecke, S. A coupled thermomechanical model for shape memory alloys-From single crystal to polycrystal. Mater. Sci. Eng. A. 481-482, 389-394 (2008).
  20. Furst, S. J., Crews, J. H., Seelecke, S. Numerical and experimental analysis of inhomogeneities in SMA wires induced by thermal boundary conditions. Contin. Mech. Thermodyn. 24 (4-6), 485-504 (2012).
  21. Shaw, J., Kyriakides, S. Thermomechanical aspects of NiTi. J. Mech. Phys. Solids. 43 (8), 1243-1281 (1995).
  22. Cooling Efficiencies of a NiTi-Based Cooling Process. Schmidt, M., Schütze, A., Seelecke, S. ASME 2013 Conf. Smart Mater. Adapt. Struct. Intell. Syst. Dev. Charact. Multifunct. Mater. Model. Simul. Control Adapt. Syst. Integr. Syst. Des. Implement, , (2013).
  23. Achenbach, M., Müller, I. A MODEL FOR SHAPE MEMORY. . Le J. Phys. Colloq. 43 (C4), 163-167 (1982).
  24. Müller, I., Seelecke, S. Thermodynamic aspects of shape memory alloys. Math. Comput. Model. 34 (12-13), 1307-1355 (2001).
  25. Experimental Investigation and Numerical Simulation of the Mechanical and Thermal Behavior of a Superelastic Shape Memory Alloy Beam During Bending. Ullrich, J., Schmidt, M., et al. ASME 2014 Conf. Smart Mater. Adapt. Struct. Intell. Syst. Mech. Behav. Act. Mater. Integr. Syst. Des. Implementation; Bioinspired Smart Mater. Syst. Energy Harvest, , (2014).
  26. Bechtold, C., Chluba, C., Lima de Miranda, R., Quandt, E. High cyclic stability of the elastocaloric effect in sputtered TiNiCu shape memory films. Appl. Phys. Lett. 101 (9), 091903(2012).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Tagi

Stopy z pamięcią kształtustopy niklu i tytanukontrola obciążenia mechanicznegotermografia w podczerwienimodelowanie metodą elementów skończonychpomiary kaloryczne termiczneanaliza wydajności procesuoptymalizacja właściwości materiałowycheksperymentalny zestaw testowy
Eksperymentalne metody badania procesów chłodzenia elastokalorycznego opartych na pamięci kształtu i walidacji modeli
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki korzystania z usługi

Zasady

Prawa autorskie © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.