Экспериментальные методы исследования формы памяти на основе процессов Охлаждение Elastocaloric и проверки достоверности моделей
May 2nd, 2016
Представлены экспериментальные методы исследования процессов охлаждения твердого тела и характеристики упругокалорических свойств сплавов с памятью формы (SMA). Специально изготовленный испытательный стенд был разработан для управления и всестороннего мониторинга процессов упругокалорического охлаждения. Кроме того, он предоставляет платформу для валидации подходов к термомеханически связанному моделированию.
Общая цель этого эксперимента заключается в исследовании упругокалорических материалов и процессов охлаждения эластокалорических материалов. С этой целью был разработан научный испытательный стенд для выполнения основных характеристик материалов и усовершенствованного управления эластокалорическими процессами. Наш метод описывает влияние свойств материала и управления процессом на мощность охлаждения и эффективность процесса охлаждения.
Полученные результаты позволяют разрабатывать оптимизированные процессы упругокалорического охлаждения, которые являются основой для проектирования эффективных охлаждающих устройств. При быстром адиабатическом нагружении скрытые нагрева сплава с памятью формы приводят к повышению температуры при нагружении, и снижению температуры при последующей разгрузке. Исследование процесса упругокалорического охлаждения является результатом сотрудничества между группой материаловедения из Рурского университета в Бохуме и двумя группами из области мехатроники из Саарского университета, Саарбрюккен, Германия.
Он включает в себя оптимизацию материалов и процессов, а также разработку инструмента моделирования. Разработанный научный испытательный стенд позволяет исследовать упругокалорический эффект теплообмена между твердотельным сплавом с памятью формы и источником тепла и сплавом с памятью формы и радиатором. Основное преимущество этого метода заключается в независимом исследовании влияния каждого контрольного параметра на такие технологические показатели, как работа и теплота.
Кроме того, эта система оснащена комплексной системой для измерения механических и конечных величин на каждом этапе процесса. Для начала с помощью штангенциркуля измерьте форму с памятью сплава лентой, а также определите поперечное сечение образца. Затем покройте образец тонким слоем пластины с высокой излучательной способностью.
Далее установите целевое положение в программе контроллера двигателя на ноль микрометров и нажмите на кнопку «Операция включена». В этом положении расстояние между зажимами составляет 90 миллиметров. Поместите образец между зажимами экспериментальной установки и используйте специально разработанный инструмент для выравнивания образца.
Затем используйте монтажное приспособление, чтобы затянуть зажимы, и динамометрический ключ, чтобы затянуть винты с усилием 20 ньютон-метров. Модельный ряд семпера очень критичен. Шкив на семпере выйдет из строя уже через несколько циклов.
Запустите программное обеспечение ИК-камеры и загрузите калибровку для 50-миллиметрового объектива в сочетании с макрообъективом. Выберите размер изображения 1, 280 на 100 пикселей и диапазон температур от минус 20 до 50 градусов по Цельсию, а затем используйте блок фокусировки мотора для позиционирования камеры. Откройте программу управления для обучения и определения характеристик материалов.
Затем установите начальное положение на ноль микрометров и выберите целевое положение 4 500 микрометров, чтобы материал претерпел полное фазовое превращение. Установите скорость линейного прямого привода равной 45 микронам в секунду, что эквивалентно скорости деформации от пяти умножить на 10 до отрицательных четырех в секунду. Затем установите время удержания равным нулю секунд, количество циклов равным одному, скорость захвата данных ИК-камеры равной 50 миллисекундам на кадр, а затем нажмите кнопку «Пуск», чтобы загрузить настройки.
Теперь откройте программу ИК-камеры, выберите имя файла и выделите 5 000 кадров. Переключитесь с внутреннего на внешний источник запуска и запустите режим сбора данных. Затем откройте управляющую программу и нажмите кнопку запуска эксперимента, чтобы запустить эксперимент.
Чтобы приступить к характеристике материала, откройте программу управления обучением и материалом. Затем установите начальное положение так, чтобы образец с самого начала находился под нулевой нагрузкой, и установите целевое положение, эквивалентное целевому положению обучения, которое составляло 4 500 микрометров. Затем установите желаемую скорость деформации и выберите скорость линейного прямого привода 9 000 микрометров в секунду, что приводит к адиабатическому фазовому превращению для образцов с площадью поперечного сечения 0,75 миллиметра на 1,4 миллиметра или более.
Установите время выдержки на 180 секунд, чтобы у образца было достаточно времени для достижения желаемой начальной температуры перед началом эксперимента. Затем установите количество циклов равным одному, скорость захвата ИК-камеры равной 5 миллисекундам на кадр и нажмите кнопку «Пуск», чтобы загрузить настройки. Затем откройте программу ИК-камеры, выберите имя файла и выделите 80 000 кадров для эксперимента.
Переключитесь с внутреннего на внешний источник запуска и запустите режим сбора данных. В управляющей программе нажмите кнопку запуска эксперимента, чтобы начать эксперимент. Чтобы исследовать локальные температурные пики, сначала выключите свет.
Затем уберите все источники тепла из поля зрения ИК-камеры и замените объектив на объектив микроскопа. Затем измените настройки калибровки камеры, загрузите объектив микроскопа и откалибруйте изображение размером 500 на 250 пикселей в диапазоне от 20 до 50 градусов Цельсия. Используйте блок фокусировки мотора для фокусировки образца.
Затем проведите стандартное испытание на растяжение при линейной скорости прямого привода 900 микрон в секунду, как описано ранее. Когда образец все еще на месте, запустите программное обеспечение ИК-камеры и загрузите калибровку для 50-миллиметрового объектива с макрообъективом. Выберите размер изображения 1,280 на 1,024 пикселя и диапазон температур от минус 20 до 50 градусов Цельсия.
Откройте программу управления и задайте параметры управления. Установите начальное положение линейного прямого привода для сплавов с памятью формы так, чтобы образец находился под нулевой нагрузкой. Кроме того, установите целевую позицию, эквивалентную целевой позиции тренировки.
Установите скорость линейного прямого привода для загрузки и выгрузки сплава с памятью формы равной 9 000 микрометров в секунду. Затем установите скорость линейного прямого привода на нижнем уровне установки равной 100 миллиметрам в секунду. Далее установите время контакта на шесть секунд.
Выберите контакт после режима загрузки и разгрузки и установите количество циклов на 40. Выберите скорость захвата данных ИК-камеры 20 миллисекунд на кадр, а затем нажмите кнопку «Пуск», чтобы загрузить настройки. В программном обеспечении ИК-камеры выберите имя файла и выделите 50 000 кадров для эксперимента.
Переключитесь с внутреннего на внешний источник триггера и запустите режим сбора данных. Наконец, откройте управляющую программу и нажмите кнопку запуска эксперимента. Это запустит цикл упругокалорийного охлаждения.
В этом ролике никель-титановая лента натягивается во время тренировки. Контролируемое растяжение приводит к повышению средней температуры на 12,2 градуса Кельвина. Материал следует типичной кривой гистерезиса и в конечном итоге принимает ответ, подобный показанному красным цветом.
На рисунке изображена никель-титаново-медно-ванадиевая лента, ширина гистерезиса увеличивается с увеличением скорости деформации. Это происходит в результате изменения температуры во время фазового превращения. На диаграмме видно, что после определенного момента дальнейшее увеличение изменения температуры в ответ на увеличение скорости деформации прекращается.
Это инфракрасное видео показывает, что при увеличении количества циклов охлаждения разница температур между радиатором и источником тепла увеличивается, что приводит к уменьшению минимального и максимального изменения температуры материала. После первого цикла возникает неоднородный температурный профиль, потому что радиатор и источник тепла не соприкасаются со всей лентой. Здесь вы можете сравнить эксперимент и моделирование испытания на растяжение.
Базовая модель симуляции является модификацией термомеханически связанной модели Мюллера-Ахенбаха-Селлека. Это показывает, что модель способна воспроизвести как механические, так и термические свойства материала. Поэтому, пытаясь выполнить эту процедуру, важно помнить, что требования к проектированию включают в себя контроль всех этапов охлаждения, а также прямой контроль параметров изменения.
Термическая инкапсуляция повысит эффективность процесса, однако наблюдаемость будет значительно снижена. Для последующей разработки реального устройства вы, конечно, примете это во внимание. После этой процедуры могут быть выполнены другие варианты процесса, помимо управления адиабатическим процессом, такие как неадиабатические адиабатические комбинированные процессы, чтобы ответить на дополнительные вопросы, такие как влияние фазы контакта, а также на эффективность процесса и охлаждающую способность.
После просмотра этого видео у вас должно быть хорошее представление об эластокалорическом охлаждающем эффекте, а также о том, как оптимизация материалов и управление процессом влияют на мощность охлаждения и эффективность процесса.
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
Обзор
В этом исследовании изучаются эластокалорические материалы и процессы охлаждения с использованием специально созданного испытательного стенда. Исследование направлено на характеристику сплавов с форменной памятью (SMA) и оптимизацию эффективности охлаждения.
Ключевые компоненты исследования
Область науки
- Материаловедение
- Мехатроника
- Термоуправление
Фон
- Эластокалорические материалы демонстрируют изменения температуры при нагрузке и разгрузке.
- Сплавы с форменной памятью являются ключевыми для понимания эластокалорических эффектов.
- Сотрудничество между университетом Рура и университетом Саарланда усиливает исследовательские возможности.
- Исследование процессов охлаждения может привести к разработке эффективных конструкций охлаждающих устройств.
Цель исследования
- Исследовать свойства эластокалорических материалов.
- Разработать оптимизированные процессы охлаждения для практических приложений.
- Проверить терромеханические модели на основе экспериментальных данных.
Используемые методы
- Разработка научного испытательного стенда для характеристики материалов.
- Контроль процессов эластокалорического охлаждения.
- Мониторинг изменений температуры при нагрузке и разгрузке.
- Сотрудничество с несколькими исследовательскими группами для всестороннего анализа.
Основные результаты
- Была достигнута характеристика свойств сплавов с форменной памятью.
- Было продемонстрировано влияние свойств материалов на мощность охлаждения.
- На основе экспериментальных результатов были разработаны эффективные процессы охлаждения.
- Успешно проведена проверка терромеханических моделей.
Выводы
- Эластокалорические материалы показывают перспективы для эффективных охлаждающих приложений.
- Оптимизированные процессы могут привести к прогрессу в технологии охлаждающих устройств.
- Сотрудничество усиливает глубину исследований в этой области.
Часто задаваемые вопросы
Executive Industry Relevance
Elastocaloric cooling using shape memory alloys presents a solid-state alternative to conventional vapor compression systems, offering potential for environmentally friendly thermal management in biopharma manufacturing and storage. The described test rig enables independent control of mechanical loading and thermal monitoring, supporting mechanistic de-risking of material performance under process-relevant conditions. This capability aids in predictive confidence for material selection in temperature-sensitive bioprocessing applications.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of thermodynamic hypotheses in shape memory alloys through controlled mechanical deformation and synchronized thermal measurement.
- Operational Value: Provides reproducible quantification of elastocaloric effects, reducing ambiguity in material response characterization.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Facilitates preparation of validated SMA systems for downstream thermal process evaluation via standardized mechanical cycling protocols.
- Operational Value: Supports assay standardization through synchronized measurement of work, heat, and temperature transients using infrared thermography.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Enables differentiation of material, process, and boundary condition influences on cooling efficiency, supporting translational biomarker alignment in thermal management systems.
- Operational Value: Provides continuity from discovery through preclinical validation by linking experimental data to thermomechanical model refinement.
Pipeline & Workflow Integration
The method positions elastocaloric characterization within the discovery continuum, informing lead identification of advanced cooling materials and preclinical work on solid-state thermal systems through iterative model-experiment validation.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing of phase transformation mechanics and pathway clarification of latent heat contributions under adiabatic conditions.
- Screening: Describes assay readiness via reproducible strain-rate-controlled cycles and quantitative infrared thermography outputs for thermal performance screening.
- Analytics: Highlights synchronized mechanical and thermal readouts that enable comparative analysis of process variables on cooling power and efficiency.
- Translational Research: Connects method to preclinical continuity through model validation, ensuring predictive reliability of simulated thermal behavior in device-relevant geometries.
- Enterprise Reuse: Frames the test rig as a reusable platform for evaluating multiple SMA compositions and geometries across thermal management projects.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Predictive confidence in material thermal response, reduction of mechanistic ambiguity in elastocaloric effect under varying strain rates and cycle counts.
- Operational Value: Standardization of mechanical control and thermal monitoring, reproducibility of synchronized data acquisition, scalability to different sample sizes and thermal boundary conditions.
- Strategic Value: Better go/no-go decisions in material selection for cooling applications, capital efficiency through early-stage de-risking, reduced late-stage biological risk in temperature-sensitive bioprocesses.
- Portfolio Impact: Risk-adjusted prioritization of elastocaloric materials based on validated cooling power and efficiency metrics from experimental-simulation correlation.
Implementation Considerations
- Requires expertise in mechanical testing, infrared thermography, and thermomechanical modeling.
- Dependent on precision linear drives, high-speed IR cameras, and synchronized data acquisition systems.
- Necessitates cross-team standardization between materials, mechatronics, and thermal engineering groups for consistent protocol execution.
- Involves adaptation considerations for different SMA alloys, geometries, and thermal interface materials affecting heat transfer observability.
- Practical limitations include reduced thermal observability under encapsulation and challenges in isolating interfacial heat transfer effects during cycling.
