Экспериментальные методы исследования формы памяти на основе процессов Охлаждение Elastocaloric и проверки достоверности моделей
2 мая 2016 г.
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 данного эксперимента заключается в исследовании эластокалорических материалов и процессов эластокалорического охлаждения. Для этой цели была разработана научная испытательная установка для проведения базовой характеризации материалов и расширенного контроля эластокалорических процессов. Наш метод описывает влияние свойств материала и управления процессом на холодопроизводительность и эффективность процесса охлаждения.
Полученные результаты позволяют разработать оптимизированные процессы эластокалорического охлаждения, которые служат основой для создания эффективных охлаждающих устройств. При быстром адиабатическом нагружении скрытая теплота сплава с памятью формы приводит к повышению температуры в процессе нагрузки и к снижению температуры при последующей разгрузке. Исследование процесса эластокалорического охлаждения является результатом сотрудничества группы материаловедения Рурского университета в Бохуме и двух групп по мехатронике из университета Саарланда в Саарбрюккене, Германия.
Данный процесс включает в себя оптимизацию материалов и технологических процессов, а также разработку инструмента для моделирования. Созданный научный испытательный стенд позволяет изучать эластокалорический эффект при твердотельном теплообмене между сплавом с памятью формы и источником тепла, а также между сплавом с памятью формы и теплоотводом. Основным преимуществом этого метода является возможность независимого исследования влияния каждого управляющего параметра на такие показатели процесса, как работа и теплота.
Кроме того, данная установка представляет собой комплексную систему для измерения механических и тепловых величин на каждом этапе процесса. Для начала с помощью штангенциркуля измерьте ленту из сплава с эффектом памяти формы и определите площадь поперечного сечения образца. Затем покройте образец тонким слоем пластины с высоким коэффициентом излучения.
Затем установите целевое положение в программе контроллера двигателя на 0 µm и нажмите кнопку активации операции. В этом положении расстояние между зажимами составляет 90 мм. Поместите образец между зажимами экспериментальной установки и с помощью специально разработанного инструмента для выравнивания отцентрируйте образец.
Затем с помощью монтажного приспособления затяните зажимы, а с помощью динамометрического ключа затяните винты с усилием 20 newton-meters. Соосность semper крайне важна. Шкив на semper выйдет из строя всего через несколько циклов.
Запустите программное обеспечение ИК-камеры и загрузите калибровку для 50-миллиметрового объектива в сочетании с макрокольцом. Выберите размер изображения 1280 на 100 пикселей и диапазон температур от -20 до 50 °C, затем с помощью блока моторного фокуса установите положение камеры. Откройте программу управления для обучения и характеризации материалов.
Далее установите начальное положение на 0 µm и выберите целевое положение 4 500 µm, чтобы материал подвергся полной фазовой трансформации. Установите скорость линейного прямого привода на 45 µm/s, что эквивалентно скорости деформации 5 × 10⁻⁴ с⁻¹. Затем установите время выдержки на 0 s, количество циклов — на 1, скорость захвата ИК-камеры — на 50 ms на кадр, после чего нажмите кнопку пуска для загрузки настроек.
Теперь откройте программное обеспечение ИК-камеры, выберите имя файла и задайте количество кадров равным 5 000. Переключите источник триггера с внутреннего на внешний и запустите режим сбора данных. Затем откройте программу управления и нажмите кнопку запуска эксперимента для начала проведения опыта.
Для начала характеризации материала откройте программу управления для обучения и испытания материала. Затем установите начальное положение таким образом, чтобы образец изначально находился без нагрузки, и установите целевое положение, соответствующее целевому положению при обучении, которое составляло 4 500 micrometers. Далее установите желаемую скорость деформации и выберите линейную скорость прямого привода 9 000 micrometers per second, что обеспечивает адиабатический фазовый переход для образцов с площадью поперечного сечения 0,75 millimeters на 1,4 millimeters или более.
Установите время выдержки на 180 секунд, чтобы образец успел достичь требуемой начальной температуры перед началом эксперимента. Затем установите количество циклов равным одному, скорость сбора данных ИК-камеры — 5 миллисекунд на кадр, и нажмите кнопку запуска для загрузки настроек. После этого откройте программное обеспечение ИК-камеры, выберите имя файла и выделите 80 000 кадров для эксперимента.
Переключите источник триггера с внутреннего на внешний и запустите режим сбора данных. В программе управления нажмите кнопку «start experiment», чтобы начать эксперимент. Для исследования локальных температурных пиков сначала выключите свет.
Затем удалите все источники тепла из поля зрения ИК-камеры и замените объектив на микроскопический. Далее измените настройки калибровки камеры, выберите профиль микроскопического объектива и откалибруйте размер изображения 500 на 250 пикселей в диапазоне от 20 до 50 градусов celsius. Используйте блок моторной фокусировки для настройки фокуса образца.
Затем проведите стандартный испытание на растяжение при линейной скорости прямого привода 900 microns per second, как было описано ранее. Не вынимая образец, запустите программное обеспечение ИК-камеры и загрузите калибровку для 50 millimeter линзы с макролинзой. Выберите размер изображения 1 280 на 1 024 pixels и диапазон температур от -20 до 50 °C.
Откройте программу управления и установите параметры управления. Установите начальное положение линейного прямого привода для сплавов с эффектом памяти формы таким образом, чтобы образец находился при нулевой нагрузке. Также установите целевое положение, соответствующее целевому положению при тренировке.
Установите скорость линейного прямого привода для нагрузки и разгрузки сплава с эффектом памяти формы на 9 000 микрометров в секунду. Затем установите скорость линейного прямого привода на нижнем уровне установки на 100 миллиметров в секунду. Далее установите время контакта на шесть секунд.
Выберите контакт после режима загрузки и разгрузки и установите количество циклов на 40. Выберите скорость сбора данных ИК-камеры 20 миллисекунд на кадр, затем нажмите кнопку запуска для загрузки настроек. В программном обеспечении ИК-камеры выберите имя файла и выделите 50 000 кадров для эксперимента.
Переключитесь с внутреннего источника триггера на внешний и запустите режим сбора данных. Наконец, откройте программу управления и нажмите кнопку запуска эксперимента. Это инициирует цикл эластокалорического охлаждения.
В данном видеоролике показан процесс деформации никель-титановой ленты в ходе тренировки. Контролируемое растяжение приводит к среднему повышению температуры на 12,2 K. Материал демонстрирует типичную кривую гистерезиса и в конечном итоге приходит к отклику, показанному красным цветом.
На данном примере с лентой из никеля, титана, меди и ванадия показано, что ширина петли гистерезиса увеличивается при повышении скорости деформации. Это является следствием изменения температуры в процессе фазового превращения. Диаграмма демонстрирует, что после определенного момента дальнейшего увеличения температурного сдвига в ответ на рост скорости деформации не наблюдается.
На этом инфракрасном видео показано, что при увеличении количества циклов охлаждения разность температур между радиатором и источником тепла увеличивается, что приводит к снижению минимального и максимального изменения температуры материала. После первого цикла возникает неоднородный температурный профиль, поскольку радиатор и источник тепла контактируют не со всей поверхностью ленты. Здесь представлено сравнение результатов эксперимента и моделирования испытания на растяжение.
Основой моделирования является модификация термомеханически связанной модели Мюллера, Ахенбаха и Селлека. Это демонстрирует способность модели воспроизводить как механическое, так и тепловое поведение материала. Таким образом, при выполнении процедуры важно помнить, что требования к проектированию включают мониторинг всех этапов охлаждения, а также прямой контроль параметров вариации.
Термическое капсулирование позволит повысить эффективность процесса, однако наблюдаемость будет значительно снижена. При последующей разработке реального устройства это, разумеется, следует учитывать. После выполнения данной процедуры можно реализовать другие варианты процесса, помимо адиабатического управления, например, комбинированные неадиабатические и адиабатические процессы, чтобы ответить на дополнительные вопросы, такие как влияние фазы контакта на эффективность процесса и мощность охлаждения.
После просмотра данного видео вы должны получить четкое представление об эластокалорическом эффекте охлаждения, а также о том, как оптимизация материалов и контроль процесса влияют на мощность охлаждения и эффективность данного процесса.
Просмотрите полный транскрипт и получите доступ к тысячам научных видео
Обзор
В данном исследовании изучаются эластокалорические материалы и процессы охлаждения с использованием специально сконструированного испытательного стенда. Исследование сосредоточено на определении характеристик сплавов с памятью формы (SMA) и оптимизации эффективности охлаждения.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Материаловедение
- Мехатроника и робототехника
- Тепловой менеджмент
Обзор
- Эластокалорические материалы демонстрируют изменение температуры при нагрузке и разгрузке.
- Сплавы с памятью формы имеют ключевое значение для понимания эластокалорических эффектов.
- Сотрудничество между Рурским университетом и Саарским университетом расширяет исследовательские возможности.
- Изучение процессов охлаждения может привести к созданию эффективных конструкций охлаждающих устройств.
Цель исследования
- Изучить свойства эластокалорических материалов.
- Разработать оптимизированные процессы охлаждения для практического применения.
- Проверить термомеханические модели с помощью экспериментальных данных.
Используемые методы
- Разработка научного испытательного стенда для определения характеристик материалов.
- Управление процессами эластокалорического охлаждения.
- Мониторинг изменений температуры при нагружении и разгрузке.
- Сотрудничество с несколькими исследовательскими группами для проведения комплексного анализа.
Основные результаты
- Были определены характеристики свойств сплава с эффектом памяти формы.
- Было продемонстрировано влияние свойств материала на холодопроизводительность.
- На основе экспериментальных данных были разработаны эффективные процессы охлаждения.
- Успешно проведена валидация термомеханических моделей.
Выводы
- Эластокалорические материалы перспективны для применения в энергоэффективных системах охлаждения.
- Оптимизация процессов может привести к совершенствованию технологий создания охлаждающих устройств.
- Сотрудничество способствует углублению исследований в данной области.
Часто задаваемые вопросы
Практическая значимость для промышленности
Эластокалорическое охлаждение с использованием сплавов с эффектом памяти формы представляет собой твердотельную альтернативу традиционным парокомпрессионным системам, открывая потенциал для экологически безопасного терморегулирования при производстве и хранении биофармацевтических препаратов. Описанный испытательный стенд обеспечивает независимый контроль механического нагружения и теплового мониторинга, что позволяет снизить риски, связанные с механизмами работы материалов в условиях, соответствующих технологическому процессу. Эта возможность повышает прогностическую уверенность при выборе материалов для применения в термочувствительных процессах биопереработки.
Стратегическое применение в биофармацевтических исследованиях и разработках
Первичное обнаружение и валидация мишени
- Научная ценность: позволяет проверять термодинамические гипотезы в сплавах с памятью формы посредством контролируемой механической деформации и синхронизированного термического измерения.
- Практическая ценность: обеспечивает воспроизводимую количественную оценку эластокалорических эффектов, снижая неопределенность при определении характеристик отклика материала.
Скрининг и разработка анализа
- Научная ценность: Облегчает подготовку валидированных систем из материалов с памятью формы (SMA) для последующей оценки тепловых процессов с помощью стандартизированных протоколов механического циклического нагружения.
- Практическая ценность: Способствует стандартизации анализа за счет синхронизированного измерения работы, тепла и температурных переходных процессов с использованием инфракрасной термографии.
Трансляционные и доклинические исследования
- Научная ценность: позволяет дифференцировать влияние материалов, процессов и граничных условий на эффективность охлаждения, что способствует согласованию трансляционных биомаркеров в системах терморегулирования.
- Практическая ценность: обеспечивает непрерывность перехода от этапа открытия к доклинической валидации путем связывания экспериментальных данных с уточнением термомеханических моделей.
Интеграция конвейера и рабочего процесса
Данный метод интегрирует определение эластокалорических характеристик в общий процесс поиска новых материалов, что позволяет идентифицировать перспективные охлаждающие материалы и проводить доклинические исследования твердотельных тепловых систем посредством итеративной валидации моделей на основе экспериментов.
- Фундаментальная биология: Обеспечивает проверку гипотез о механике фазовых переходов и уточнение путей вклада скрытого тепла в адиабатических условиях.
- Скрининг: Описывает готовность анализа с помощью воспроизводимых циклов с контролируемой скоростью деформации и количественных данных инфракрасной термографии для скрининга тепловых характеристик.
- Аналитика: Акцентирует внимание на синхронизированных механических и тепловых показателях, которые позволяют проводить сравнительный анализ влияния переменных процесса на мощность и эффективность охлаждения.
- Трансляционные исследования: Связывает метод с доклинической преемственностью посредством валидации моделей, обеспечивая прогностическую надежность моделируемого теплового поведения в геометриях, актуальных для устройства.
- Корпоративное повторное использование: Рассматривает испытательный стенд как многоразовую платформу для оценки различных составов и геометрий SMA в рамках проектов по терморегулированию.
Операционное и корпоративное воздействие
- Научная ценность: Прогностическая уверенность в термическом отклике материала, снижение механистической неопределенности эластокалорического эффекта при различных скоростях деформации и количестве циклов.
- Практическая ценность: Стандартизация механического контроля и термического мониторинга, воспроизводимость синхронизированного сбора данных, масштабируемость для различных размеров образцов и граничных условий теплопередачи.
- Стратегическая ценность: Обоснованность принятия решений о выборе материалов для систем охлаждения, повышение эффективности использования капитала за счет снижения рисков на ранних этапах, уменьшение биологических рисков на поздних стадиях в термочувствительных биопроцессах.
- Влияние на портфель: Приоритизация эластокалорических материалов с учетом рисков на основе подтвержденных показателей холодопроизводительности и эффективности, полученных в результате корреляции экспериментальных данных и моделирования.
Особенности реализации
- Требуются экспертные знания в области механических испытаний, инфракрасной термографии и термомеханического моделирования.
- Результаты зависят от точности линейных приводов, использования высокоскоростных ИК-камер и систем синхронизированного сбора данных.
- Необходима межгрупповая стандартизация между специалистами по материаловедению, мехатронике и теплофизике для обеспечения единообразия выполнения протокола.
- Требуется учет особенностей адаптации для различных сплавов SMA, геометрических параметров и теплопроводящих интерфейсных материалов, влияющих на наблюдаемость теплопереноса.
- Практические ограничения включают снижение тепловой наблюдаемости при инкапсуляции и трудности при изоляции эффектов межфазного теплопереноса во время циклического нагружения.
