Name: Eksperymentalne metody badania procesów chłodzenia elastokalorycznego opartych na pamięci kształtu i walidacji modeli (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-05-02T14:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 11 s
Description: Poznaj metody badania procesów chłodzenia elastokalorycznego oparte na pamięci kształtu. Dowiedz się, jak charakteryzować stopy z pamięcią kształtu i optymalizować wydajność chłodzenia w urządzeniach termicznych.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

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).

1. Przygotowanie próbek

<ol>
	<li>Zmierz taśmę SMA za pomocą suwmiarki i wyznacz powierzchnię przekroju poprzecznego próbki.</li>
	<li>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.</li>
</ol>
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.
<ol>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>Umieść próbkę pomiędzy zaciskami układu eksperymentalnego i użyj specjalnie zaprojektowanego narzędzia do centrowania, aby wyrównać próbkę.</li>
	<li>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).</li>
	<li>Sprawdź aktualną pozycję silnika i upewnij się, że silnik znajduje się w pozycji startowej (0 µm).</li>
	<li>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.</li>
	<li>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).
	<ol>
		<li>Ustaw pozycję początkową (0 µm) i wybierz pozycję docelową (4,500 µmaby materiał przeszedł całkowitą przemianę fazową.</li>
		<li>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.
		<ol>
			<li>Wyznacz prędkość liniową napędu bezpośredniego (v) na podstawie wybranego tempa odkształcenia (<img alt="Równowaga statyczna, schemat ΣFx=0; równania wykazują stan równowagi, przejrzystość na potrzeby dydaktyczne." src="/files/ftp_upload/53626/epsilon.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="epsilon">) oraz początkową długość próbki (l0) 90 mm (v = <img alt="Równowaga statyczna, schemat ΣFx=0; równania obrazują stan równowagi, przejrzystość do celów edukacyjnych." src="/files/ftp_upload/53626/epsilon.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="epsilon">∙l0)</li>
		</ol>
		</li>
		<li>Ustaw czas podtrzymania na 0 s.</li>
		<li>W przypadku pierwszej analizy nowej próbki ustaw liczbę cykli na 1.</li>
		<li>Ustaw minimalny i maksymalny poziom siły dla konkretnej próbki, aby uniknąć obciążenia ściskającego oraz przeciążenia rozciągającego (obciążenie minimalne 1 MPa, obciążenie maksymalne 80 MPa).</li>
		<li>Wybierz częstotliwość akwizycji kamery IR wynoszącą 50 ms/klatkę (20 klatek na sekundę).</li>
		<li>Kliknij przycisk start, aby załadować ustawienia.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Uruchom oprogramowanie kamery IR, wybierz nazwę pliku i zarezerwuj 5 00 klatek.
	<ol>
		<li>Przełącz źródło wyzwalania z wewnętrznego na zewnętrzne i uruchom tryb akwizycji danych.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Otwórz program sterujący i naciśnij przycisk rozpoczęcia eksperymentu.</li>
	<li>Wizualizacja danych
	<ol>
		<li>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.</li>
		<li>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.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Powtarzać kroki od 2.6 do 2.9, aż materiał wykaże stabilne zachowanie mechaniczne, i dostosować pozycję początkową w celu skompensowania odkształceń resztkowych.
	<ol>
		<li>Po pierwszych 10 cyklach zwiększyć liczbę cykli na eksperyment do 10 i kontynuować badania aż do uzyskania stabilnego zachowania materiału.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
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.
<ol>
	<li>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.</li>
	<li>Otwórz program sterujący do treningu i charakterystyki materiałowej i ustaw parametry sterowania (przemieszczenie, prędkość, czas utrzymania, liczbę cykli oraz częstotliwość klatek kamery).
	<ol>
		<li>Ustaw pozycję początkową tak, aby próbka znajdowała się pod obciążeniem zerowym, a pozycję docelową ustaw zgodnie z pozycją docelową treningu (4 50 µm).</li>
		<li>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.</li>
		<li>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.</li>
		<li>Ustaw liczbę cykli na 1.</li>
		<li>Ustaw specyficzne dla próbki minimalny i maksymalny poziom siły, aby uniknąć obciążenia ściskającego i przeciążenia rozciągającego (obciążenie minimalne 1 MPa, obciążenie maksymalne 80 MPa).</li>
		<li>Wybierz częstotliwość akwizycji kamery IR wynoszącą 5 msec/klatkę (20 klatek na sekundę).</li>
		<li>Kliknij przycisk start, aby załadować ustawienia.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Otwórz oprogramowanie kamery IR, wybierz nazwę pliku i przydziel 80 0 klatek.
	<ol>
		<li>Przełącz źródło wyzwalania z wewnętrznego na zewnętrzne i uruchom tryb akwizycji danych.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Otwórz program sterujący i naciśnij przycisk start eksperymentu.</li>
	<li>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.</li>
	<li>W razie potrzeby dostosuj czas utrzymania na podstawie obliczonej stałej czasowej wyrównania termicznego.</li>
	<li>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).</li>
	<li>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.
	<ol>
		<li>Wyłącz światło, usuń wszystkie źródła ciepła z pola widzenia kamery IR i wymień obiektyw.</li>
		<li>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.</li>
		<li>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.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Wizualizacja danych
	<ol>
		<li>Załaduj dane mechaniczne do oprogramowania do przetwarzania danych i zwizualizuj je w formie wykresów siła/przemieszczenie, naprężenie/odkształcenie, siła/czas oraz pozycja/czas.</li>
		<li>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.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
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.
<ol>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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).
	<ol>
		<li>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).</li>
		<li>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.</li>
		<li>Ustaw czas kontaktu na 6 sec. 
		Uwaga: Czas kontaktu określa czas trwania przekazywania ciepła i może być ustawiony na dowolną wartość powyżej 10 msec.</li>
		<li>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).</li>
		<li>Ustaw liczbę cykli na 40.</li>
		<li>Ustaw specyficzne dla próbki minimalny i maksymalny poziom siły, aby uniknąć obciążenia ściskającego i przeciążenia rozciągającego (obciążenie minimalne 1 MPa, obciążenie maksymalne 80 MPa).</li>
		<li>Wybierz szybkość akwizycji kamery IR 20 msec/klatkę (50 klatek na sekundę). Kliknij przycisk start, aby załadować ustawienia.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Otwórz oprogramowanie kamery IR, wybierz nazwę pliku i przydziel 50 0 klatek. Przełącz źródło wyzwalania z wewnętrznego na zewnętrzne i uruchom tryb akwizycji danych.</li>
	<li>Otwórz program sterujący i naciśnij przycisk start eksperymentu.</li>
	<li>Wizualizacja danych
	<ol>
		<li>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.</li>
		<li>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.</li>
		<li>Zwizualizuj dane IR na wykresie temperatura/czas.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Powtórz eksperyment, zmieniając następujące parametry: odkształcenie, czas kontaktu oraz fazę kontaktu.</li>
</ol>
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.
<ol>
	<li>Przeprowadź izotermiczną próbę rozciągania przy prędkości odkształcania 5 x 10-5 sec-1 i odkształceniu 5%, następnie wykonaj kroki opisane w sekcji 2.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>Uruchom symulację prób rozciągania opisanych w kroku 5.3.
	<ol>
		<li>Zaimplementuj niestandardowy model dla stopów z pamięcią kształtu w dostępnym komercyjnie oprogramowaniu do analizy elementów skończonych:
		<ol>
			<li>Wybierz węzeł Geometry i wybierz Interval, aby narysować jednowymiarową geometrię drutu.</li>
			<li>Wybierz węzeł Parameters, aby zdefiniować parametry modelu zidentyfikowane na podstawie testów mechanicznych w kroku 5.2.</li>
			<li>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.</li>
			<li>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.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>Wybierz podwęzeł Initial Values, aby ustawić temperaturę początkową drutu na temperaturę otoczenia.
		<ol>
			<li>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.</li>
			<li>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.</li>
			<li>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.</li>
		</ol>
		</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Analiza danych
	<ol>
		<li>Wprowadź wyniki eksperymentalne i symulacyjne do oprogramowania do analizy danych i zwizualizuj dane mechaniczne i termiczne.</li>
		<li>Porównaj wyniki eksperymentalne i symulacyjne, odpowiednio w zakresie zachowania mechanicznego (odpowiedź naprężenie/odkształcenie) i termicznego (przestrzenna ewolucja temperatury próbki) materiału.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

<ol><li>Fähler, S., Rößler, U. K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Caloric+effects+in+ferroic+materials%3A+New+concepts+for+cooling%5BTitle%5D)+AND+%22Adv.+Eng.+Mater%22%5BJournal%5D)">Caloric effects in ferroic materials: New concepts for cooling.</a> Adv. Eng. Mater. 14 (1-2), 10-19 (2012).</li>
<li>Moya, X., Defay, E., Heine, V., Mathur, N. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Too+cool+to+work%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Phys%22%5BJournal%5D)">Too cool to work.</a> Nat. Phys. 11 (3), 202-205 (2015).</li>
<li>Starkov, I. A., Starkov, A. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((On+the+thermodynamic+foundations+of+solid-state+cooler+based+on+multiferroic+materials%5BTitle%5D)+AND+%22Int.+J.+Refrig%22%5BJournal%5D)">On the thermodynamic foundations of solid-state cooler based on multiferroic materials.</a> Int. J. Refrig. 37, 249-256 (2014).</li>
<li>Caloric Effects in Ferroic Materials: New Concepts for Cooling. , Available from: 
 <a target="_blank" href="http://www.ferroiccooling.de/">http://www.ferroiccooling.de/</a> (2012).</li>
<li>Moya, X., Kar-Narayan, S., Mathur, N. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Caloric+materials+near+ferroic+phase+transitions%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Mater%22%5BJournal%5D)">Caloric materials near ferroic phase transitions.</a> Nat. Mater. 13 (5), 439-450 (2014).</li>
<li>Shaw, J. A., Kyriakides, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((On+the+nucleation+and+propagation+of+phase+transformation+fronts+in+a+NiTi+alloy%5BTitle%5D)+AND+%22Acta+Mater%22%5BJournal%5D)">On the nucleation and propagation of phase transformation fronts in a NiTi alloy.</a> Acta Mater. 45 (2), 683-700 (1997).</li>
<li>Chang, B. -C., Ja Shaw,, Iadicola, M. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Thermodynamics+of+Shape+Memory+Alloy+Wire%3A+Modeling+Experiments%2C+and+Application%5BTitle%5D)+AND+%22Contin.+Mech.+Thermodyn%22%5BJournal%5D)">Thermodynamics of Shape Memory Alloy Wire: Modeling Experiments, and Application.</a> Contin. Mech. Thermodyn. 18 (1-2), 83-118 (2006).</li>
<li>Cui, J., Wu, Y. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Demonstration+of+high+efficiency+elastocaloric+cooling+with+large+Delta+T+using+NiTi+wires%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+Lett%22%5BJournal%5D)">Demonstration of high efficiency elastocaloric cooling with large Delta T using NiTi wires.</a> Appl. Phys. Lett. 101 (7), 073904(2012).</li>
<li>Ossmer, H., Lambrecht, F., Gültig, M., Chluba, C., Quandt, E., Kohl, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Evolution+of+temperature+profiles+in+TiNi+films+for+elastocaloric+cooling%5BTitle%5D)+AND+%22Acta+Mater%22%5BJournal%5D)">Evolution of temperature profiles in TiNi films for elastocaloric cooling.</a> Acta Mater. 81, 9-20 (2014).</li>
<li>Ossmer, H., Chluba, C., Krevet, B., Quandt, E., Rohde, M., Kohl, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Elastocaloric+cooling+using+shape+memory+alloy+films%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Phys.+Conf.+Ser%22%5BJournal%5D)">Elastocaloric cooling using shape memory alloy films.</a> J. Phys. Conf. Ser. 476 (1), 012138(2013).</li>
<li>Schmidt, M., Schütze, A., Seelecke, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Scientific+test+setup+for+investigation+of+shape+memory+alloy+based+elastocaloric+cooling+processes%5BTitle%5D)+AND+%22Int.+J.+Refrig%22%5BJournal%5D)">Scientific test setup for investigation of shape memory alloy based elastocaloric cooling processes.</a> Int. J. Refrig. 54, 88-97 (2015).</li>
<li>Tobushi, H., Shimeno, Y., Hachisuka, T., Tanaka, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Influence+of+strain+rate+on+superelastic+properties+of+TiNi+shape+memory+alloy%5BTitle%5D)+AND+%22Mech.+Mater%22%5BJournal%5D)">Influence of strain rate on superelastic properties of TiNi shape memory alloy.</a> Mech. Mater. 30 (2), 141-150 (1998).</li>
<li>Miyazaki, S., Mizukoshi, K., Ueki, T., Sakuma, T., Liu, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fatigue+life+of+Ti-50+at.%25+Ni+and+Ti-40Ni-10Cu+%28at.%25%29+shape+memory+alloy%5BTitle%5D)+AND+%22Mater.+Sci.+Eng.+A%22%5BJournal%5D)">Fatigue life of Ti-50 at.% Ni and Ti-40Ni-10Cu (at.%) shape memory alloy.</a> Mater. Sci. Eng. A. 273-275, 658-663 (1999).</li>
<li>Olbricht, J., Yawny, A., Condò, A. M., Lovey, F. C., Eggeler, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+influence+of+temperature+on+the+evolution+of+functional+properties+during+pseudoelastic+cycling+of+ultra+fine+grained+NiTi%5BTitle%5D)+AND+%22Mater.+Sci.+Eng.+A%22%5BJournal%5D)">The influence of temperature on the evolution of functional properties during pseudoelastic cycling of ultra fine grained NiTi.</a> Mater. Sci. Eng. A. 481-482, 142-145 (2008).</li>
<li>Tušek, J., Engelbrecht, K., Mikkelsen, L. P., Pryds, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Elastocaloric+effect+of+Ni-Ti+wire+for+application+in+a+cooling+device%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Appl.+Phys%22%5BJournal%5D)">Elastocaloric effect of Ni-Ti wire for application in a cooling device.</a> J. Appl. Phys. 117 (12), 124901(2015).</li>
<li>Zarnetta, R., Takahashi, R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Identification+of+Quaternary+Shape+Memory+Alloys+with+Near-Zero+Thermal+Hysteresis+and+Unprecedented+Functional+Stability%5BTitle%5D)+AND+%22Adv.+Funct.+Mater%22%5BJournal%5D)">Identification of Quaternary Shape Memory Alloys with Near-Zero Thermal Hysteresis and Unprecedented Functional Stability.</a> Adv. Funct. Mater. 20 (12), 1917-1923 (2010).</li>
<li>Schmidt, M., Ullrich, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Thermal+Stabilization+of+NiTiCuV+Shape+Memory+Alloys%3A+Observations+During+Elastocaloric+Training%5BTitle%5D)+AND+%22Shape+Mem.+Superelasticity%22%5BJournal%5D)">Thermal Stabilization of NiTiCuV Shape Memory Alloys: Observations During Elastocaloric Training.</a> Shape Mem. Superelasticity. , (2015).</li>
<li>Höhne, G., Hemminger, W., Flammersheim, H. -J. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aH%C3%B6hne%2C+G+%22Differential+Scanning+Calorimetry%22">Differential Scanning Calorimetry</a>. , Berlin Heidelberg Springer-Verlag. (2003).</li>
<li>Heintze, O., Seelecke, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+coupled+thermomechanical+model+for+shape+memory+alloys-From+single+crystal+to+polycrystal%5BTitle%5D)+AND+%22Mater.+Sci.+Eng.+A%22%5BJournal%5D)">A coupled thermomechanical model for shape memory alloys-From single crystal to polycrystal.</a> Mater. Sci. Eng. A. 481-482, 389-394 (2008).</li>
<li>Furst, S. J., Crews, J. H., Seelecke, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Numerical+and+experimental+analysis+of+inhomogeneities+in+SMA+wires+induced+by+thermal+boundary+conditions%5BTitle%5D)+AND+%22Contin.+Mech.+Thermodyn%22%5BJournal%5D)">Numerical and experimental analysis of inhomogeneities in SMA wires induced by thermal boundary conditions.</a> Contin. Mech. Thermodyn. 24 (4-6), 485-504 (2012).</li>
<li>Shaw, J., Kyriakides, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Thermomechanical+aspects+of+NiTi%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Mech.+Phys.+Solids%22%5BJournal%5D)">Thermomechanical aspects of NiTi.</a> J. Mech. Phys. Solids. 43 (8), 1243-1281 (1995).</li>
<li>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).</li>
<li>Achenbach, M., Müller, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+MODEL+FOR+SHAPE+MEMORY%5BTitle%5D)+AND+%22.+Le+J.+Phys.+Colloq%22%5BJournal%5D)">A MODEL FOR SHAPE MEMORY.</a> . Le J. Phys. Colloq. 43 (C4), 163-167 (1982).</li>
<li>Müller, I., Seelecke, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Thermodynamic+aspects+of+shape+memory+alloys%5BTitle%5D)+AND+%22Math.+Comput.+Model%22%5BJournal%5D)">Thermodynamic aspects of shape memory alloys.</a> Math. Comput. Model. 34 (12-13), 1307-1355 (2001).</li>
<li>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).</li>
<li>Bechtold, C., Chluba, C., Lima de Miranda, R., Quandt, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High+cyclic+stability+of+the+elastocaloric+effect+in+sputtered+TiNiCu+shape+memory+films%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+Lett%22%5BJournal%5D)">High cyclic stability of the elastocaloric effect in sputtered TiNiCu shape memory films.</a> Appl. Phys. Lett. 101 (9), 091903(2012).</li>
</ol>

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

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...

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.
<img alt="Schemat układu testowego SMA z napędem liniowym, kamerą IR, zaciskami oraz ogniwem obciążenia do analizy naprężeń." src="/files/ftp_upload/53626/53626fig5.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="Rycina 5"> 
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.
<img alt="Schemat układu analizy termicznej z źródłem ciepła, czujnikami, cylindrem pneumatycznym i liniowym układem napędowym." src="/files/ftp_upload/53626/53626fig7.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="Rycina 7"> 
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.

<table><tbody><tr><td>Bezpośrednie napędy liniowe</td><td>ESR-Pollmeier</td><td>ML 1418-U5-W1</td><td>SMA załadunek/rozładunek; wymiana ciepła</td></tr><tr><td>Siłownik pneumatyczny&nbsp;</td><td>Festo</td><td>ADNGF-40 574031</td><td>Kontakt między źródłem ciepła/zlewozmywakiem a SMA</td></tr><tr><td>Indukcyjny system pomiaru położenia&nbsp;</td><td>AMO</td><td>LMKA-1101.1NN-1.0-0</td><td></td></tr><tr><td>Czujnik wagowy na rozciąganie i ściskanie</td><td>Futek</td><td>LCF451; FSH02241</td><td>SMA force</td></tr><tr><td>Czujnik tensometryczny</td><td>Futek</td><td>LTH300; FSH00297</td><td>Kamera na</td></tr><tr><td>podczerwień</td><td>Infra Tec</td><td>Image IR 9360; M91129</td><td>1 280 x 1 024 pikseli; Maksymalna częstotliwość odświeżania 3,200 Hz</td></tr><tr><td>Kontroler czasu rzeczywistego&nbsp;</td><td>National Instruments</td><td>NI CompactRIO-9074</td><td>System gromadzenia i kontroli danych</td></tr><tr><td>Lakier do kamery</td><td>Tetenal</td><td>105202</td><td></td></tr></tbody></table>

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

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

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.

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...

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.

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

Shape Memory Alloys (SMA) using elastocaloric cooling processes have the potential to be an environmentally friendly alternative to the conventional vapor ...

Ogólnym celem tego eksperymentu jest zbadanie materiałów elastokalorycznych oraz procesów chłodzenia elastokalorycznego. W tym celu opracowano naukowy zestaw badawczy do przeprowadzania podstawowej charakterystyki materiałowej oraz zaawansowanego sterowania procesem elastokalorycznym. Nasza metoda opisuje wpływ właściwości materiałowych i sterowania procesem na moc chłodniczą oraz sprawność procesu chłodzenia.Wyniki te umożliwiają opracowanie zoptymalizowanych procesów chłodzenia elastokalorycznego, które stanowią podstawę do projektowania wydajnych urządzeń chłodniczych. Podczas szybkiego obciążania adiabatycznego ciepło utajone stopu z pamięcią kształtu prowadzi do wzrostu temperatury w trakcie obciążania oraz do spadku temperatury podczas następującego po nim odciążania. Badanie procesu chłodzenia elastokalorycznego jest wynikiem współpracy grupy inżynierii materiałowej z Uniwersytetu Ruhry w Bochum oraz dwóch grup inżynierii mechatronicznej z Uniwersytetu Saarlandu w Saarbrucken w Niemczech.Proces ten obejmuje optymalizację materiałów oraz przebiegu procesów, a także opracowanie narzędzia do symulacji. Opracowane naukowe stanowisko badawcze umożliwia badanie efektu elastokalorycznego w przypadku stałego przekazywania ciepła pomiędzy stopem z pamięcią kształtu a źródłem ciepła oraz pomiędzy stopem z pamięcią kształtu a odbiornikiem ciepła. Główną zaletą tej techniki jest możliwość niezależnego badania wpływu każdego parametru sterującego na wartości procesowe, takie jak praca i ciepło.Ponadto system ten jest wyposażony w kompleksowy układ do pomiaru wielkości mechanicznych i końcowych na każdym etapie procesu. Na początek należy użyć suwmiarki do zmierzenia taśmy ze stopu z pamięcią kształtu i wyznaczyć przekrój poprzeczny próbki. Następnie próbkę należy pokryć cienką warstwą płytki o wysokiej emisyjności.Następnie w programie sterownika silnika ustaw pozycję docelową na 0 µm i kliknij przycisk włączający działanie. W tej pozycji odległość między zaciskami wynosi 90 mm. Umieść próbkę pomiędzy zaciskami zestawu doświadczalnego i użyj specjalnie zaprojektowanego narzędzia do wyrównywania, aby wyrównać próbkę.Następnie, użyj przyrządu montażowego, aby dokręcić zaciski, oraz klucza dynamometrycznego, aby dokręcić śruby z siłą 20 Nm. Ustawienie pierścienia dociskowego (semper) jest krytyczne. Koło pasowe na pierścieniu dociskowym ulegnie awarii już po kilku cyklach.Uruchom oprogramowanie kamery IR i wczytaj kalibrację dla obiektywu 50 mm w połączeniu z soczewką do zdjęć z bliska. Wybierz rozmiar obrazu 1 280 na 100 pikseli oraz zakres temperatur od -20 do 50 °C, a następnie użyj jednostki motorowego ostrzenia, aby ustawić kamerę. Otwórz program sterujący do treningu i charakterystyki materiałowej.Następnie ustaw pozycję startową na 0 µm i wybierz pozycję docelową 4 500 µm, aby materiał przeszedł całkowitą przemianę fazową. Ustaw prędkość liniowego napędu bezpośredniego na 45 µm/s, co odpowiada szybkości odkształcenia 5 × 10⁻⁴ s⁻¹. Następnie ustaw czas podtrzymania na 0 s, liczbę cykli na 1, częstotliwość akwizycji kamery IR na 50 ms na klatkę, a następnie kliknij przycisk start, aby załadować ustawienia.Następnie otwórz oprogramowanie kamery IR, wybierz nazwę pliku i przydziel 5 000 klatek. Zmień źródło wyzwalania z wewnętrznego na zewnętrzne i uruchom tryb akwizycji danych. Następnie otwórz program sterujący i naciśnij przycisk start eksperymentu, aby rozpocząć badanie.Aby rozpocząć charakterystykę materiału, otwórz program sterujący do treningu i badania materiałów. Następnie ustaw pozycję startową tak, aby próbka początkowo nie była poddana obciążeniu, a pozycję docelową ustaw zgodnie z pozycją docelową treningu, która wynosiła 4 500 µm. Następnie ustaw żądaną prędkość odkształcenia i wybierz liniową prędkość napędu bezpośredniego wynoszącą 9 000 µm/s, co prowadzi do adiabatycznej przemiany fazowej w przypadku próbek o polu przekroju wynoszącym 0,75 mm na 1,4 mm lub większym.Ustaw czas podtrzymania na 180 sekund, aby zapewnić próbce wystarczająco dużo czasu na osiągnięcie pożądanej temperatury początkowej przed rozpoczęciem eksperymentu. Następnie ustaw liczbę cykli na jeden, częstotliwość akwizycji kamery IR na 5 milisekund na klatkę i kliknij przycisk start, aby załadować ustawienia. Następnie otwórz oprogramowanie kamery IR, wybierz nazwę pliku i przydziel 80 000 klatek na eksperyment.Zmień źródło wyzwalania z wewnętrznego na zewnętrzne i uruchom tryb akwizycji danych. W programie sterującym naciśnij przycisk start eksperymentu, aby rozpocząć badanie. W celu zbadania lokalnych szczytów temperatury, najpierw wyłącz światło.Następnie usuń wszystkie źródła ciepła z pola widzenia kamery IR i wymień obiektyw na obiektyw mikroskopowy. Dalej zmień ustawienia kalibracji kamery, załaduj profil obiektywu mikroskopowego i skalibruj rozmiar obrazu 500 na 250 pikseli w zakresie od 20 do 50 stopni celsius. Użyj jednostki motorowego ustawiania ostrości, aby wyostrzyć obraz próbki.Następnie przeprowadź standardową próbę rozciągania przy liniowej prędkości napędu bezpośredniego 900 µm/s, zgodnie z wcześniejszym opisem. Pozostawiając próbkę na miejscu, uruchom oprogramowanie kamery IR i wczytaj kalibrację dla obiektywu 50 mm z soczewką zbliżeniową. Wybierz rozmiar obrazu 1280 x 1024 pikseli oraz zakres temperatur od -20 do 50 °C.Otwórz program sterujący i ustaw parametry sterowania. Ustaw pozycję startową liniowego napędu bezpośredniego dla stopów z pamięcią kształtu w taki sposób, aby próbka znajdowała się przy zerowym obciążeniu. Następnie ustaw pozycję docelową równą pozycji docelowej procesu treningu.Ustaw prędkość liniowego napędu bezpośredniego do załadunku i rozładunku stopu z pamięcią kształtu na 9 000 µm/s. Następnie ustaw prędkość liniowego napędu bezpośredniego na dolnym poziomie układu na 100 mm/s. W dalszej kolejności ustaw czas kontaktu na sześć sekund.Wybierz styk po trybie załadunku i rozładunku, a następnie ustaw liczbę cykli na 40. Wybierz częstotliwość akwizycji kamery IR wynoszącą 20 milisekund na klatkę, a następnie kliknij przycisk start, aby załadować ustawienia. W oprogramowaniu kamery IR wybierz nazwę pliku i przydziel 50 000 klatek na eksperyment.Zmień źródło wyzwalania z wewnętrznego na zewnętrzne i uruchom tryb akwizycji danych. Na koniec otwórz program sterujący i naciśnij przycisk startu eksperymentu. Rozpocznie to cykl chłodzenia elastokalorycznego.Na tym fragmencie filmu taśma z niklu i tytanu jest poddawana odkształceniu podczas procesu trenowania. Kontrolowane rozciąganie prowadzi do średniego wzrostu temperatury o 12,2 K. Materiał podąża za typową krzywą histerezy i ostatecznie osiąga odpowiedź taką, jak ta przedstawiona na czerwono.Przedstawiony tutaj wykres dla taśmy z niklu, tytanu, miedzi i wanadu pokazuje, że szerokość histerezy zwiększa się wraz ze wzrostem szybkości odkształcenia. Jest to wynik zmiany temperatury podczas przemiany fazowej. Diagram wskazuje, że po osiągnięciu pewnego punktu zmiana temperatury w odpowiedzi na zwiększanie szybkości odkształcenia nie rośnie już dalej.Niniejszy film w podczerwieni pokazuje, że wraz ze zwiększeniem liczby cykli chłodzenia różnice temperatur między radiatorem a źródłem ciepła rosną, co prowadzi do zmniejszenia minimalnej i maksymalnej zmiany temperatury materiału. Po pierwszym cyklu powstaje niejednorodny profil temperatury, ponieważ radiator i źródło ciepła nie stykają się z całą powierzchnią taśmy. Tutaj można zobaczyć porównanie eksperymentu i symulacji próby rozciągania.Podstawowym modelem symulacji jest modyfikacja termomechanicznie sprzężonego modelu Mueller Achenbach Selleck. Wykazuje on, że model jest w stanie odtworzyć zarówno zachowanie mechaniczne, jak i termiczne materiału. Dlatego podczas przeprowadzania procedury należy pamiętać, że wymagania projektowe obejmują monitorowanie wszystkich etapów chłodzenia, a także bezpośrednią kontrolę parametrów zmiennych.Enkapsulacja termiczna zwiększyłaby wydajność procesu, jednakże znacznie ograniczyłaby ona możliwość obserwacji. Oczywiście należałoby to wziąć pod uwagę przy późniejszym opracowywaniu rzeczywistego urządzenia. Stosując tę procedurę, można przeprowadzić inne warianty procesowe poza adiabatyczną kontrolą procesu, takie jak procesy łączone adiabatyczno-nieadiabatyczne, aby odpowiedzieć na dodatkowe pytania, np. dotyczące wpływu fazy kontaktu na wydajność procesu i moc chłodzenia.Po obejrzeniu tego filmu powinni Państwo posiadać gruntowną wiedzę na temat efektu chłodzenia elastokalorycznego oraz tego, w jaki sposób optymalizacja materiałów i kontrola procesu wpływają na moc chłodniczą i wydajność całego procesu.

experimental-methods-for-investigation-shape-memory-based

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

Przedstawiamy protokół jednoczesnego gromadzenia danych EEG/fMRI oraz synchronizowanego zapisu sygnału zegara MR. Demonstrujemy tę metodę, wykorzystując unikalny paradygmat, w którym badani otrzymują instrukcje dotyczące „zimnej rękawiczki” podczas skanowania, a dane EEG/fMRI są rejestrowane wraz z pomiarami temperatury dłoni zarówno przed, jak i po indukcji hipnotycznej.

Metoda jednoczesnego gromadzenia danych fMRI/EEG podczas sugestii skupionej uwagi w celu uzyskania zróżnicowanych odczuć termicznych

Złożona lokomocja w naturalnym środowisku, wymagająca starannej koordynacji kończyn, obejmuje obszary kory ciemieniowej. Poniższy protokół opisuje zastosowanie odwracalnej dezaktywacji wywołanej chłodzeniem w celu zademonstrowania roli obszaru ciemieniowego 5 w sterowanym pamięciowo unikaniu przeszkód u chodzącego kota.

Odwracalne dezaktywacje wywołane chłodzeniem w celu zbadania wkładu kory mózgowej w pamięć przeszkód u chodzącego kota

Kinetyka procesu chłodzenia określa właściwości żeli jonowych opartych na żelatorach o niskiej masie cząsteczkowej. W artykule opisano zastosowanie termoskaningowej konduktometrii (TSC), która zapewnia pełną kontrolę nad procesem żelowania, wraz z pomiarami in situ temperatury i przewodności próbek.

Termoskaningowa konduktometria (TSC) jako ogólna metoda badania i kontrolowania zachowania fazowego przewodzących żeli fizycznych

Ten artykuł opisuje dwie metody krótkotrwałej hipotermii całego ciała u szczurów. Pierwsza, szybka metoda indukcji, wykorzystuje aktywne chłodzenie za pomocą wentylatorów i rozpylonego etanolu w celu szybkiego spadku temperatury. Druga metoda to metoda stopniowego chłodzenia. Osiąga się to dzięki połączeniu znieczulenia izofluranem i redukcji ustawień temperatury na homeotermicznej macie grzewczej. Powoduje to stopniowy spadek temperatury głębokiej ciała bez użycia jakichkolwiek zewnętrznych...

Krótkotrwała indukcja hipotermii u szczurów przy użyciu modeli do badań oceniających znaczenie kliniczne i mechanizmy

Tutaj prezentujemy protokół oparty na komputerowym systemie wizyjnym (CVS) do określenia zachowania podczas topnienia wielofazowych systemów żywnościowych.

Komputerowy system wizyjny do oceny topnienia lodów

Przedstawiono projekt umożliwiający opłacalne, niskotemperaturowe cykliczne cyklowanie baterii dla ogniw monetowych 2032 w środowisku o niskiej wilgotności. Ogniwa są rotowane w temperaturze 0 °C wewnątrz komory chłodzonej przez moduły termoelektryczne. Ten prosty projekt można dostosować do eksperymentów wymagających podobnych warunków termicznych i kontrolowanych wilgotnością lub różnych geometrii baterii.

Projektowanie komory baterii na ogniwo monetowe do eksperymentów operando w niskiej temperaturze

Celem niniejszego eksperymentu jest określenie i kontrolowanie wielkości, kształtu oraz stabilności samoorganizujących się amfifili dyskotycznych w wodzie. W przypadku wodnych polimerów supramolekularnych osiągnięcie takiego poziomu kontroli jest bardzo trudne. Zastosowano strategię wykorzystującą zarówno oddziaływania odpychające, jak i przyciągające. Techniki eksperymentalne użyte do charakterystyki tego układu mają szerokie zastosowanie.

Kontrola rozmiaru, kształtu i stabilności polimerów supramolekularnych w wodzie

Pamięć echa gradientowego to protokół do przechowywania optycznych stanów kwantowych światła w zespołach atomowych. Pamięć kwantowa jest kluczowym elementem wzmacniacza kwantowego, który może rozszerzyć zakres kwantowej dystrybucji klucza. Przedstawiamy działanie schematu w przypadku implementacji w 3-poziomowym zespole atomowym.

Pamięć kwantowa echa gradientowego w ciepłej parze atomowej

Opisujemy proces zmiany in situ powierzchni Si (001) potraktowanej HF w stan hydrofilowy lub hydrofobowy poprzez napromieniowanie próbek w komorach mikroprzepływowych wypełnionych roztworem H2O2/H2O (0,01%-0,5%) lub roztworami metanolu za pomocą impulsowego lasera UV o stosunkowo niskiej płynności impulsów.

Selektywna modyfikacja obszaru zwilżalności powierzchni krzemu za pomocą pulsacyjnego naświetlania laserem UV w środowisku ciekłym

Opisujemy metodologię mechanicznego złuszczania i osadzania płatków nowych materiałów o wymiarach mikronowych na podłożu, wytwarzania eksperymentalnych struktur urządzeń do eksperymentów transportowych oraz pomiaru magnetotransportu w suchym helu w zamkniętym cyklu w temperaturach do 0,300 K i polach magnetycznych do 12 T.

Zaawansowane metody eksperymentalne do niskotemperaturowych pomiarów magnetotransportu nowych materiałów

Poznaj metody badania procesów chłodzenia elastokalorycznego oparte na pamięci kształtu. Dowiedz się, jak charakteryzować stopy z pamięcią kształtu i optymalizować wydajność chłodzenia w urządzeniach termicznych.

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

Przeglądaj więcej filmów