طرق تجريبية لElastocaloric عمليات التبريد التحقيق في ذاكرة الشكل وبناء ونموذج التحقق من صحة

1Lab for Measurement Technology, Saarland University, 2Intelligent Material Systems Lab, Saarland University, 3Lab for Material Science, Ruhr Universität Bochum
Published 5/02/2016
0 Comments
  CITE THIS  SHARE 
Engineering

Your institution must subscribe to JoVE's Engineering section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

Welcome!

Enter your email below to get your free 10 minute trial to JoVE!





By clicking "Submit", you agree to our policies.

 

Summary

Cite this Article

Copy Citation

Schmidt, M., Ullrich, J., Wieczorek, A., Frenzel, J., Eggeler, G., Schütze, A., et al. Experimental Methods for Investigation of Shape Memory Based Elastocaloric Cooling Processes and Model Validation. J. Vis. Exp. (111), e53626, doi:10.3791/53626 (2016).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

شكل الذاكرة سبائك (SMA) باستخدام عمليات التبريد elastocaloric لديها القدرة على أن يكون بديلا الصديقة للبيئة في عملية التبريد على أساس التقليدية ضغط بخار. أنظمة سبائك النيكل والتيتانيوم (ني تي) على أساس، وخاصة، تظهر آثار elastocaloric كبيرة. وعلاوة على ذلك، تظهر حرارة كامنة كبيرة وهو خاصية المواد اللازمة لتطوير عملية التبريد على أساس الكفاءة الحالة الصلبة. وقد تم تصميم منصة الاختبار العلمي للتحقيق في هذه العمليات والآثار elastocaloric في SMAS. جهاز الاختبار أدركت يتيح مراقبة مستقلة التحميل والتفريغ دورات الميكانيكية وSMA، وكذلك موصل نقل الحرارة بين عناصر التبريد SMA ومصدر الحرارة / المصارف. وقد تم تجهيز منصة الاختبار مع نظام مراقبة شامل قادر على قياسات متزامنة من المعلمات الميكانيكية والحرارية. بالإضافة إلى تحديد آلية عملها التي تعتمد على عملية، يتيح النظام أيضا measuremenطن من جوانب السعرات الحرارية الحرارية للتأثير التبريد elastocaloric من خلال استخدام كاميرا الأشعة تحت الحمراء عالية الأداء. هذه المجموعة غير ذات أهمية خاصة، لأنها تسمح الرسوم التوضيحية للتوطين ومعدل الآثار - على حد سواء مهمة لكفاءة نقل الحرارة من متوسطة إلى أن تبرد.

ويصف العمل المقدم طريقة تجريبية لتحديد خصائص المواد elastocaloric في مختلف المواد وهندستها عينة. وعلاوة على ذلك، يتم استخدام جهاز الاختبار للتحقيق في مختلف الاختلافات عملية التبريد. تمكن أساليب التحليل قدم نظر متباينة من المواد، وعملية وذات الصلة التأثيرات حالة الحدود على كفاءة عملية. المقارنة بين البيانات التجريبية مع نتائج المحاكاة (نموذج العنصر المحدود إلى جانب thermomechanically) تسمح لفهم أفضل للفيزياء الكامنة وراء التأثير elastocaloric. وبالإضافة إلى ذلك، فإن النتائج التجريبية، فضلا عن النتائج باالحوار الاقتصادي الاستراتيجي على نتائج المحاكاة، وتستخدم لتحسين خواص المواد.

Introduction

عمليات التبريد الحالة الصلبة القائمة على المواد ferroic لديها القدرة على أن تكون بدائل صديقة للبيئة لعملية ضغط على أساس بخار التقليدية. المواد Ferroic قد يحمل على magnetocaloric، electrocaloric وelastocaloric آثار فضلا عن مجموعات من هذه الآثار، والتي توصف بأنها سلوك المواد multicaloric 3. ويجري حاليا التحقيق في الآثار من السعرات الحرارية المختلفة في المواد ferroic كجزء من برنامج الأولوية المؤسسة الألمانية للعلوم (DFG) SPP 1599 "آثار السعرات الحرارية في المواد Ferroic: مفاهيم جديدة لالتبريد" (4). شكل الذاكرة سبائك (SMA) التي يتم التحقيق في هذا البرنامج تظهر آثار elastocaloric كبيرة، ولا سيما السبائك على أساس ني تي بسبب حرارة كامنة كبيرة على 5. مرحلة التحول الناجم عن الضغط على معدلات سلالة عالية يؤدي لتغيرات درجة الحرارة كبيرة من SMA، كما هو مبين في الشكل 1. لثابت الحرارة، طارد للحرارة مرحلة التحول من الأوستينيت إلى مارتنسيت يزيد من درجة حرارة SMA. التحول ماص للحرارة من مارتنسيت إلى الأوستينيت يؤدي إلى انخفاض كبير في درجات الحرارة. هذه الخصائص المادية elastocaloric يمكن أن تستخدم في الحالة الصلبة عمليات التبريد عن طريق تطبيق التحميل والتفريغ الميكانيكية دورة مناسبة. ويبين الشكل 2 دورة التبريد elastocaloric نموذجية، في أعقاب دورة برايتون. نقل الحرارة بين مصدر الحرارة والبرد، تفريغ SMA تتم في درجات الحرارة المنخفضة. في المرحلة المقبلة، المتوسط ​​المتحرك في دولة خالية من الاتصال وسريع، تحميل ثابت الحرارة يؤدي إلى زيادة درجة حرارة كبيرة من SMA. نقل الحرارة لاحق بين المتوسط ​​المتحرك الساخن والحرارة بالوعة تجري في سلالة المستمر للSMA. عند الانتهاء من نقل الحرارة وسريعة والتفريغ ثابت الحرارة يؤدي إلى انخفاض درجة الحرارة كبير من المتوسط ​​المتحرك تحت درجة حرارة من مصدر الحرارة، وعندها التبريد المقبلة جycle ونقل الحرارة مع مصدر الحرارة يمكن أن تبدأ. كفاءة عملية التبريد elastocaloric تعتمد على الأعمال الميكانيكية المطلوبة والحرارة الممتصة.

أولا، تم إجراء تجارب مراقبة مجال درجات الحرارة خلال اختبارات الشد التي كتبها شو وآخرون. بهدف تحقيق في تشكيل قمم درجة الحرارة المحلية خلال اختبارات الشد شرائط SMA وأسلاك بمعدلات مختلفة. المنهج التجريبي تطبيقها مجتمعة قياس المعلمات الميكانيكية (الإجهاد، والتوتر ومعدل الضغط) مع اكتساب وقت واحد من المجالات درجة الحرارة عن طريق القياسات الحراري. أثناء التحميل والتفريغ من عينة SMA مع آلة اختبار الشد، الأشعة تحت الحمراء وتستخدم (الأشعة تحت الحمراء) وكاميرا للحصول على الصور الأشعة تحت الحمراء من العينة SMA. هذه التقنية تمكن من تحقيق معدل سلالة تشكيل يعتمد من قمم درجة الحرارة. قياس توزيع الحرارة علىعينة مهمة جدا للتحقيق في الآثار elastocaloric وتحديد خصائص التبريد للمادة. وقياس درجة الحرارة المحلية - من خلال تطبيق الاتصال قياس درجة الحرارة - لا يكفي لوصف خصائص التبريد للمادة. تم استخدام قياس الحقل درجة الحرارة أيضا تسوى وآخرون. 8 لدراسة آثار elastocaloric في الأسلاك ني تي. وعلاوة على ذلك، Ossmer وآخرون. 10 أظهرت أن قياسات درجات الحرارة الحراري هي أيضا مناسبة للتحقيق في الآثار elastocaloric في ني تي أساس الأغشية الرقيقة، الأمر الذي يتطلب معدلات الإطار عالية للكاميرا الأشعة تحت الحمراء للتحقيق في التحولات المرحلة ثابت الحرارة في سلالة عالية معدلات. هذا الأسلوب يسمح للتحقيق في كميات elastocaloric وتجانس البيانات الشخصية درجة الحرارة، والتي لها تأثير كبير على أساس الحالة الصلبة نقل الحرارة وكفاءة العمليات elastocaloric.

كفاءة التبريد من المواد التي يمكن أن تحدد عن طريق حساب العمل المطلوب استنادا إلى قياسات الضغط / التوتر، فضلا عن الحرارة (والذي يمكن تحديده مع مراعاة التغير في درجة الحرارة والسعة الحرارية للمادة). ومع ذلك، فإن المنهج التجريبي لا يمكن التحقيق من المواد elastocaloric تحت ظروف العملية. ويشمل ذلك نقل الحرارة بين المتوسط ​​الحسابي ومصدر الحرارة، والتي لها تأثير كبير على كفاءة عملية التبريد.

توصيف مادة التبريد الظروف العملية والتحقيق في عمليات التبريد elastocaloric يتطلب جهاز اختبار للتمكن من نقل الحرارة على أساس الحالة الصلبة، والتي لا يمكن التحقيق فيها من قبل أي نظام تجاري القائمة. ولهذه الغاية، تم وضع منصة اختبار جديدة. تم تعيين جهاز الاختبار حتى في مستويين كما هو موضح في الشكل (3). وuppeيسمح مستوى ص لتوصيف المواد elastocaloric الأساسي وإجراءات التدريب الأولية، على غرار الطريقة الموصوفة سابقا (انظر الشكل 4). وقد تم تجهيز الإعداد مع محرك المباشر الخطي قادرة على تحميل وتفريغ SMA بأسعار سلالة تصل إلى 1 ثانية -1 (انظر الشكل 5). محرك المباشر الخطي تمكن التحقيق من العينات مع المقطع العرضي لمدة تصل إلى 1.8 ملم في حين أن طول عينة نموذجية هو 90 ملم. والاستفادة من محرك المباشر الخطية هي سرعة عالية وعالية تسارع - على النقيض من محركات الكرة اللولبية التي تستخدم عادة للاختبارات الشد. وعلاوة على ذلك، خلية الحمل، فضلا عن نظام قياس موقف متكامل من محرك الخطي، وتقدم بيانات القياس الميكانيكية. ويستخدم كاميرا الأشعة تحت الحمراء عالية الدقة (1280 X 1024 بكسل) لقياس الشخصية درجة حرارة SMA مع ما يصل إلى 400 هرتز (في نطاق درجات الحرارة المطلوبة). استخدام عدسة المجهر مع الدقةolution من 15 ميكرون / بكسل يمكن التحقيق من آثار درجة الحرارة المحلية. انخفاض مستوى جهاز الاختبار يحتوي على آلية تسمح بالتناوب نقل الحرارة بالتوصيل بين المتوسط ​​الحسابي والحرارة بالوعة المصدر / الحرارة (انظر شكل رقم 6 و 7). محرك المباشر الخطي في مستوى أدنى التبديل بين مصدر الحرارة إلى المتوسط ​​الحسابي ومن المتوسط ​​المتحرك لامتصاص الحرارة، في حين أن المصاعد اسطوانة هواء مضغوط ويقلل من مصدر الحرارة / بالوعة (انظر الشكل 8). كل المحرك يمكن التحكم بشكل مستقل والسماح للتحقيق في مختلف الاختلافات عملية التبريد. نظام قياس شامل يتيح قياس المعلمات الميكانيكية: موقف المحرك، سرعة المحرك، SMA تحميل قوة، قوة الاتصال بين المتوسط ​​المتحرك ومصدر الحرارة / المصارف خلال نقل الحرارة وكذلك المعلمات الحرارية (أي درجات الحرارة داخل مصدر الحرارة / بالوعة، وتوزيع درجات الحرارة على سطح SMA ومصدر الحرارة / الخطيئةك). ويرد وصف أكثر تفصيلا لمنصة الاختبار العلمي في شميت وآخرون. 11.

الرقم 5
الرقم 5. مخطط الطابق العلوي من منصة اختبار محرك المباشر خطي لتحميل وتفريغ العينة SMA مع نظام قياس موقف متكامل؛ خلية الحمل لقياس قوى الشد، وكذلك كاميرا الأشعة تحت الحمراء عالية الدقة (1280 X 1024 بكسل) لعمليات استحواذ الشخصي درجات الحرارة.

الرقم 7
الرقم 7. مخطط الطابق السفلي من جهاز الاختبار محرك المباشر الخطي للتبديل بين المشتت الحراري ومصدر الحرارة؛ اسطوانة الهوائية لاجراء اتصالات بين العينة SMA ومصدر الحرارة / المصارف. وقد تم دمج أجهزة استشعار درجة الحرارة في بالوعة الحرارة / سوRCE لقياس درجة الحرارة الأساسية للبنات. خلية الحمل ضغط لقياس قوة الاتصال بين المتوسط ​​الحسابي ومصدر الحرارة / تم دمج المصارف في آلية نقل الحرارة وغير مرئية في هذا المخطط.

جهاز الاختبار يسمح للتحقيق في تركيبات مختلفة سبائك والأحجام عينه فضلا هندستها (أشرطة، والأسلاك). وعلاوة على ذلك، فإن الإعداد تمكن تحقيقات شاملة من المواد elastocaloric وعمليات التبريد. التجارب التي سبق وصفها لا يمكن أن يؤديها وسيتم وصف التنفيذ خطوة بخطوة في قسم البروتوكول من هذه المخطوطة.

مواد الاستقرار:

سلوك المواد مستقر مهم لاستخدام المواد elastocaloric في أنظمة التبريد. تحقيقا لهذه الغاية، يتم تطبيق إجراء تحقيق الاستقرار الميكانيكي. خلال هذا الإجراء المواد يمر الميكانيكية التحميل والتفريغ دورات وينفذ المرحلةالتحول من الأوستينيت إلى مارتنسيت. يظهر الاستقرار المادي تبعية معدل قوية. معدلات التحميل العالية تؤدي إلى التغير في درجة الحرارة من المواد، والذي كان سببه الحرارة الكامنة من مرحلة التحول. هذا التغير في درجة الحرارة له تأثير مماثل على الاستقرار المادي، كما تفعل الدورات التدريبية الميكانيكية في درجات حرارة مختلفة 12-15. بالإضافة إلى الميكانيكي 13 والسعرات الحرارية 16 استقرار معروفة، استقرار المواد الحرارية ويمكن ملاحظة مع الإعداد صممه تطبيق الحراري 17.

توصيف المواد:

بعد إجراء التدريب الميكانيكي الأولي، والمواد معارض السلوك الميكانيكي، الحراري والسعرات الحرارية مستقر يسمح خصائص المواد elastocaloric إلى أن توصف. لذلك، يتم تنفيذ الدراجات الميكانيكية بمعدلات مختلفة في حين، على النقيض من إجراء التدريب، وelastocويشمل توصيف aloric مرحلة عقد بعد التحميل والتفريغ. لمدة مرحلة عقد يتم الاحتفاظ سلالة SMA مستمر حتى يتم التوصل إلى مستوى درجة الحرارة المحيطة مرة أخرى. مطلوب هذا النوع من التجارب من أجل تحديد أدنى درجة حرارة يمكن تحقيقها بعد التفريغ، بدءا من مستويات درجة الحرارة المحيطة، فضلا عن الكفاءة المادية. معدل تشكيل يعتمد من قمم درجة الحرارة المحلية ويمكن ملاحظة، مع معدلات أعلى مما يؤدي إلى توزيع درجة الحرارة متجانسة بشكل متزايد. وعلاوة على ذلك، من خلال زيادة معدل الضغط يزيد من التغير في درجة الحرارة بالتساوي حتى تتحقق الظروف ثابت الحرارة. كفاءة المادية يمكن تحديده من خلال حساب العمل المطلوب الميكانيكية، بناء على الرسم البياني قوة الإزاحة من تجربة ثابت الحرارة، فضلا عن الحرارة للامتصاص، بناء على التغير في درجة الحرارة يعني من المواد خلال التفريغ والسعة الحرارية للعينة .

Elastocعملية التبريد aloric:

التحقيق في كفاءة التبريد من SMAS في ظل ظروف العملية تتطلب نقل الحرارة بين المتوسطة SMA التبريد ومصدر الحرارة، فضلا عن امتصاص الحرارة. لهذا الغرض، والمتوسط ​​المتحرك على اتصال مع مصدر الحالة الصلبة الحرارة (بعد التفريغ ثابت الحرارة)، وبالوعة الحرارة (بعد تحميل ثابت الحرارة). كفاءة عملية تعتمد بقوة على التحكم في العملية وشروط الحدود الحرارية. التحقيق الشامل لعملية التبريد يتطلب تنوع من المعلمات السيطرة من أجل تحديد التحكم في العمليات الأكثر فعالية. تأثير الفرد من المعلمات (وقت الاتصال، SMA سلالة، SMA معدل الضغط، مرحلة الاتصال (الاتصال أثناء تحميل / تفريغ مرحلة أو التالية) وقوة الاتصال) على أداء العملية لابد من التحقيق فيها. وعلاوة على ذلك، فإن تأثير الشرط الحدود الحرارية المتغيرة من خلال زيادة عدد دورات التبريد لديها لأن تؤخذ بعين الاعتبار.

التحقق من صحة نموذج:

تطوير نموذج المواد إلى جانب thermomechanically، قادرة على إعادة إنتاج سلوك المواد الميكانيكية والحرارية خلال تبريد دورة، أمر بالغ الأهمية لتطوير تقنية تبريد جديدة. نموذج يسمح للمواد وتحسين العمليات التي خفضت جهود التنمية التجريبية والمادية. المصادقة يتطلب اختبار الشد متساوي الأولي من مادة استقرت لتوليد البيانات المدخلة المواد الميكانيكية المطلوبة (معامل المرونة من الأوستينيت والمرحلة مارتنسيت، وعرض من التباطؤ الميكانيكية وكذلك سلالة التحول). المصادقة على نموذج يتم على أساس اختبارات الشد بمعدلات مختلفة. إدخال البيانات من السعرات الحرارية المطلوبة للنموذج يمكن تحديد الكالوري المسح التفاضلي (DSC) بعد التجارب الميكانيكية. القياسات DSC يجب أن تؤديها بالعربيةثالثا الاختبار الميكانيكي من أجل قياس خصائص المواد السعرات الحرارية لعينة استقرت.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

التحضير 1. عينة

  1. قياس الشريط SMA مع الفرجار وتحديد المقطع العرضي للعينة.
  2. تحضير العينة لقياس الأشعة تحت الحمراء بواسطة طلاء الشريط مع طبقة رقيقة من الابتعاثية عالية (ε = 0.96) الطلاء.
    تحذير: يتم تصنيف الطلاء كما مصدرا للإزعاج. قفازات، نظارات السلامة وحماية الفم يجب أن ترتديه أثناء معالجة الطلاء.

2. المواد لتحقيق الاستقرار (التدريب)

ملاحظة: ركوب الدراجات الميكانيكية الأولية يؤدي إلى استقرار المواد الميكانيكية والحرارية. التحقيق في الواقع لتحقيق الاستقرار، وإجراء التدريب في حد ذاته، يتطلب استخدام المحرك وأجهزة استشعار مثبتة في الطابق العلوي من جهاز الاختبار وكذلك كاميرا الأشعة تحت الحمراء.

  1. بدء برنامج تحكم المحرك والتحقق من إعدادات تحميل. تغيير الإعدادات لوضع موقف ووضع الأوامر. تحقق من المحرك في وضع نشط.
  2. Sوآخرون موقف المستهدفة في برنامج تحكم المحرك 0 ميكرون وانقر على "عملية تمكين" زر - في هذا الموقف المسافة بين المشابك هي 90 ملم.
  3. ضع العينة بين المشابك من الإعداد التجريبية واستخدام أداة محاذاة خاصة مصممة لتحقيق المواءمة بين العينة.
  4. تشديد المشابك باستخدام المساعدات المتزايدة من أجل تجنب الانحناء الحمل على تحميل خلية وعينة. استخدام وجع عزم الدوران لتشديد الخناق على ضمان وجود قوة لقط استنساخه (تشديد عزم الدوران: 20 نيوتن متر).
  5. التحقق من موقف السيارات الحالي، وتأكد من أن المحرك هو في موضع بداية (0 ميكرون).
  6. بدء برنامج كاميرا الأشعة تحت الحمراء وتحميل المعايرة للعدسة 50 ملم جنبا إلى جنب مع عدسة عن قرب. اختر حجم الصورة 1280 × 100 بكسل ودرجة حرارة تتراوح من -20 درجة مئوية إلى 50 درجة مئوية. ضع الكاميرا باستخدام وحدة التركيز السيارات والتأكد من عينة كاملة في مجال الرؤية للكاميرا.
    ملاحظة: كاميرا الأشعة تحت الحمراء، في combinaنشوئها مع نظام عدسة المختار، لديه البعد البؤري (و) من 50 ملم، وجود فتحة F / 2 والحد الأدنى من حجم بكسل من 60 ميكرون على مسافة العمل من 200 ملم.
  7. فتح برنامج الرقابة على المواد التدريبية وتوصيف وتعيين المعلمات التحكم (الإزاحة والسرعة، وعقد الوقت، والحد الأقصى والحد الأدنى من القوة، وعدد من الدورات والكاميرا معدل الإطار).
    1. تعيين موضع البدء (0 ميكرون)، واختيار موقف الهدف (4500 ميكرون) بحيث أن المواد تخضع لمرحلة التحول الكامل.
    2. تعيين محرك سرعة مباشرة الخطية (سرعة التحميل / التفريغ) لتلبية معدل الضغط المطلوب. حدد معدل سلالة من 5 × 10 -4 ثانية -1 (المحرك سرعة 45 ميكرون / ثانية) لتبريد التدريبية المتعلقة العملية.
      1. تحديد محرك الأقراص الخطية سرعة المباشرة (ت) على أساس سعر سلالة المختار ( إبسيلون ) وطول العينة الأولي ل (0) 90 ملم (ت = <IMG بديل = "إبسيلون" SRC = "/ ملفات / ftp_upload / 53626 / epsilon.jpg" /> • ول 0)
    3. تعيين وقت إجراء إلى 0 ثانية.
    4. تعيين عدد من الدورات إلى 1 في الجولة الأولى مع عينة جديدة.
    5. تعيين الحد الادنى من عينة محددة والحد الأقصى لمستوى القوة لتجنب الحمل الزائد الضغط والشد (الحد الأدنى تحميل 1 ميجا باسكال، الحمولة القصوى 800 ميجا باسكال).
    6. اختيار كاميرا معدل اكتساب الأشعة تحت الحمراء من 50 ميللي ثانية / الإطار (20 لقطة في الثانية الواحدة).
    7. انقر على زر البدء لتحميل الإعدادات.
  8. فتح برنامج كاميرا الأشعة تحت الحمراء، واختيار اسم الملف وتخصيص 5000 الإطارات.
    1. التحول من الداخلية إلى مصدر الزناد الخارجي والبدء في وضع الحصول على البيانات.
  9. فتح برنامج التحكم واضغط على زر البداية التجربة.
  10. تصور البيانات
    1. وبمجرد الانتهاء من التجربة، وتحميل البيانات في برامج معالجة البيانات وتصور ذلك من حيث القوة / التشريد، شارعريس / سلالة، قوة / الساعة والرسوم البيانية موقف / الساعة.
    2. تحميل البيانات الأشعة تحت الحمراء في برنامج كاميرا الأشعة تحت الحمراء وتقييم الوقت حل ملامح درجة الحرارة. تحديد منطقة القياس التي تغطي سطح الشريط SMA ورسم درجات الحرارة القصوى والدنيا متوسط ​​العينة مقابل الوقت.
  11. كرر الخطوات من 2،6-2،9 حتى تظهر مادة السلوك الميكانيكي مستقر والتكيف مع الموقف بداية للتعويض عن سلالات المتبقية.
    1. بعد دورات ال 10 الاولى، وزيادة عدد الدورات في التجربة إلى 10 والمضي قدما في التجارب حتى يتم التوصل إلى سلوك المواد مستقر.

3. المواد توصيف

ملاحظة: توصيف المواد يتطلب استخدام المحرك وأجهزة استشعار مثبتة في الطابق العلوي من جهاز الاختبار وكذلك كاميرا الأشعة تحت الحمراء. أثناء إجراء توصيف يتم تحميل العينة وتفريغ بمعدلات مختلفة أثناء أداءفترة عقد بعد التحميل والتفريغ.

  1. إذا تم غير مثبت الشريط SMA وتم تبديل نظام التحكم من جهاز الاختبار من بعد التدريب، كرر الخطوات من 2،1-2،6 والمشبك العينة مرة أخرى. إذا لم يكن هذا هو الحال، والمضي قدما على النحو التالي.
  2. فتح برنامج الرقابة على المواد التدريبية وتوصيف وتعيين المعلمات التحكم (الإزاحة والسرعة، وعقد الوقت، وعدد من دورات والإطار كاميرا معدل).
    1. تعيين موضع بداية بحيث تكون العينة تحت الصفر الحمل وتعيين ما يعادل موقف الهدف إلى موقف الهدف من التدريب (4500 ميكرون).
    2. تعيين محرك سرعة مباشرة الخطية (سرعة التحميل / التفريغ) لتلبية معدل الضغط المطلوب. اختيار معدل سلالة من 1 × 10 -1 -1 ثانية (سرعة المحرك من 9000 ميكرون / ثانية) الذي يؤدي إلى مرحلة التحول ثابت الحرارة للعينات مع قطاع عريض من 0.75 مم × 1.4 مم أو أكبر.
    3. ضبط الوقت التمسك 180 SEج، وهو ما يكفي لعينة للوصول إلى مستوى درجة الحرارة الأولي.
      ملاحظة: الوقت عقد له ليتم التحقق منها بعد التجربة عن طريق حساب وقت موازنة الحراري المستمر (τ) ووقت عقد أصغر من 4 × τ لابد من زيادة قبل بدء التجربة توصيف المقبل.
    4. تعيين عدد من الدورات إلى 1.
    5. تعيين الحد الادنى من عينة محددة والحد الأقصى لمستوى القوة لتجنب الحمل الزائد الضغط والشد (الحد الأدنى تحميل 1 ميجا باسكال، الحمولة القصوى 800 ميجا باسكال).
    6. اختيار كاميرا معدل اكتساب الأشعة تحت الحمراء من 5 ميللي ثانية / الإطار (200 لقطة في الثانية الواحدة).
    7. انقر على زر البدء لتحميل الإعدادات.
  3. فتح برنامج كاميرا الأشعة تحت الحمراء، واختيار اسم الملف وتخصيص 80،000 الإطارات.
    1. التحول من الداخلية إلى مصدر الزناد الخارجي والبدء في وضع الحصول على البيانات.
  4. فتح برنامج التحكم واضغط على زر البداية التجربة.
  5. تحميل البيانات الأشعة تحت الحمراء فيبرنامج كاميرا الأشعة تحت الحمراء. مؤامرة تعني الحد الأقصى والحد الأدنى من عينة درجات الحرارة مقابل الوقت. تصدير البيانات وحساب الوقت موازنة الحراري مستمر مع برنامج معالجة البيانات 10،11.
  6. التكيف مع الوقت عقد، إذا لزم الأمر، على أساس احتساب موازنة الحرارية وقت ثابت.
  7. كرر الخطوات من 3،2-3،5 وتختلف نسبة سلالة من 5 × 10 -5 ثانية -1 إلى 1 × 10 -1 -1 ثانية، فضلا عن سلالة من 2٪ إلى سلالة أقصى 5٪ (بحد أقصى إجهاد ما يعادل الحد الأقصى للإجهاد أثناء التدريب).
  8. التحقيق في قمم درجة الحرارة المحلية:
    ملاحظة: تظهر مادة لها تأثير توطين تعتمد على معدل تأثير elastocaloric. دراسة متأنية لهذه الآثار يتطلب قرارا خاصا عالية من التعريف درجة الحرارة SMA. لهذا الغرض، عدسة كاميرا الأشعة تحت الحمراء لابد من استبدالها بواسطة عدسة المجهر. عدسة المجهر لها فتحة من 3.0 التكبير من 1X وحجم بكسل من 15ميكرون على مسافة العمل من 195 ملم.
    1. التبديل ضوء قبالة، وإزالة جميع مصادر الحرارة من مجال الرؤية للكاميرا الأشعة تحت الحمراء وتغيير العدسة.
    2. تغيير إعدادات الكاميرا المعايرة وتحميل معايرة عدسة المجهر ضمن درجات حرارة تتراوح بين 20 درجة مئوية إلى 50 درجة مئوية، وحجم الصورة 500 × 250 بكسل. استخدام وحدة التركيز السيارات للتركيز العينة.
    3. إجراء اختبار الشد بمعدل سلالة من 1 × 10 -1 ثانية -1 (9000 ميكرون / ثانية)، اتبع الخطوات الموضحة في قسم 2: مواد الاستقرار.
  9. التصور البيانات
    1. تحميل البيانات الميكانيكية في برامج معالجة البيانات وتصور ذلك من حيث القوة / التشريد، والإجهاد / سلالة، قوة / الساعة والرسوم البيانية موقف / الساعة.
    2. تحميل البيانات الأشعة تحت الحمراء في برنامج كاميرا الأشعة تحت الحمراء وتقييم الوقت حل ملامح درجة الحرارة. تحديد منطقة القياس التي تغطي سطح الشريط SMA ورسم متوسط ​​كحد أقصىimum ودرجة الحرارة لا تقل عن العينة مقابل الوقت.

4. Elastocaloric عملية التبريد

ملاحظة: التحقيق في عمليات التبريد elastocaloric يتطلب استخدام المحركات وأجهزة الاستشعار في الطابق العلوي والسفلي من الإعداد وكذلك كاميرا الأشعة تحت الحمراء. وتشمل هذه التجارب الاختلاف من المعلمات السيطرة من أجل تحسين أداء العملية.

  1. إذا تم غير مثبت الشريط SMA، وقد تحولت جهاز الاختبار من بعد توصيف المواد، كرر الخطوات من 2،1-2،5 والمشبك العينة مرة أخرى. إذا لم يكن هذا هو الحال، والمضي قدما على النحو التالي.
  2. بدء برنامج كاميرا الأشعة تحت الحمراء وتحميل المعايرة للعدسة 50 ملم مع عدسة عن قرب. اختر حجم الصورة من 1280 س 1024 بكسل ودرجة حرارة تتراوح من -20 درجة مئوية إلى 50 درجة مئوية. ضع الكاميرا باستخدام وحدة التركيز السيارات والتأكد من أن العينة كلها في مجال الرؤية للكاميرا.
    ملاحظة: كاميرا الأشعة تحت الحمراء في تركيبة مع نظام عدسة اختار لها طول بؤري (و) من 50 ملم، وجود فتحة F / 2 والحد الأدنى من حجم بكسل من 60 ميكرون على مسافة العمل من 200 ملم.
  3. فتح برنامج مراقبة لعمليات التبريد elastocaloric وتعيين المعلمات التحكم (النزوح من محرك الخطي المباشر واحد (الطابق العلوي)، سرعة محرك الخطي المباشر واحد واثنين، وقت الاتصال، القوة القصوى والدنيا، مرحلة الاتصال، وعدد من الدورات والكاميرا معدل الاطار).
    1. تعيين موضع بدء حملة المباشر خطي لSMA التحميل والتفريغ، بحيث تكون العينة تحت الصفر الحمل وتعيين ما يعادل موقف الهدف إلى موقف الهدف من التدريب (4500 ميكرون).
    2. ضبط السرعة (سرعة التحميل / التفريغ) من محرك المباشر خطي لتحميل وتفريغ المتوسط ​​المتحرك لتلبية معدل سلالة من 1 × 10 -1 ثانية -1 (9000 ميكرون / ثانية). تعيين سرعة محرك الأقراص المباشر الخطي في مستوى أدنى من الإعداد إلى 100ملم / ثانية.
    3. تعيين وقت الاتصال إلى 6 ثانية.
      ملاحظة: إن الوقت يحدد مدة لنقل الحرارة ويمكن وضعها على أي قيمة فوق 10 ميللي ثانية.
    4. اختيار اتصال بعد وضع التحميل / التفريغ.
      ملاحظة: التأثيرات مرحلة الاتصال ما إذا كان التحميل والتفريغ هو ثابت الحرارة (الاتصال بعد التحميل / التفريغ) أو جنبا إلى جنب مع نقل الحرارة إلى بالوعة الحرارة / المصدر (الاتصال أثناء التحميل / التفريغ).
    5. تعيين عدد من الدورات إلى 40.
    6. تعيين الحد الادنى من عينة محددة والحد الأقصى لمستوى القوة لتجنب الحمل الزائد الضغط والشد (الحد الأدنى تحميل 1 ميجا باسكال، الحمولة القصوى 800 ميجا باسكال).
    7. اختيار كاميرا معدل اكتساب الأشعة تحت الحمراء من 20 ميللي ثانية / الإطار (50 لقطة في الثانية الواحدة). انقر على زر البدء لتحميل الإعدادات.
  4. فتح برنامج كاميرا الأشعة تحت الحمراء، واختيار اسم الملف وتخصيص 50000 الإطارات. التحول من الداخلية إلى مصدر الزناد الخارجي والبدء في وضع الحصول على البيانات.
  5. فتح progr السيطرةأنا واضغط على زر البداية التجربة.
  6. تصور البيانات
    1. وبمجرد الانتهاء من تجربة تحميل البيانات في برامج معالجة البيانات وتصور البيانات التالية: القوة / التشريد، والإجهاد / سلالة، ودرجة الحرارة / الوقت (درجة حرارة بالوعة الحرارة / المصدر)، قوة / الوقت، قوة الاتصال / الساعة وموقف من المحركات / الزمن الخطي.
    2. تحميل البيانات الأشعة تحت الحمراء في برنامج كاميرا الأشعة تحت الحمراء وتقييم الوقت حل ملامح درجة الحرارة. تحديد ثلاثة مجالات القياس التي تغطي سطح العينة SMA فضلا عن سطح المشتت الحراري ومصدر الحرارة. تصدير وقت حل البيانات متوسط ​​درجة الحرارة القصوى والدنيا للمناطق قياس محددة وتحميلها في برامج معالجة البيانات.
    3. تصور البيانات الأشعة تحت الحمراء في رسم تخطيطي درجة الحرارة / الوقت.
  7. تكرار التجربة في ظل تنوع من المعلمات: سلالة، وقت الاتصال، ومرحلة الاتصال.

5. نموذج التحقق من صحة

  1. إجراء اختبار الشد متساوي الحرارة بمعدل سلالة من 5 × 10 -5 -1 ثانية وسلالة من 5٪، والمضي قدما في طريق تنفيذ الخطوات الموضحة في القسم 2.
  2. وبمجرد الانتهاء من التجربة، وتحميل البيانات في برامج معالجة البيانات ووضع تصور لقياس الضغط / التوتر. حساب معامل مرونة من الأوستينيت والمرحلة مارتنسيت، سلالة التحول فضلا عن عرض التباطؤ. وظيفة البيانات المذكورة أعلاه وإدخال البيانات الميكانيكية للنموذج 7.
  3. أداء مزيد من الاختبارات الشد بأسعار سلالة من 1 × 10 -4 ثانية -1، 5 × 10 -4 ثانية -1، 1 × 10 -3 ثانية -1، 5 × 10 -3 -1، 1 × 10 -2 ثانية -1، 5 × 10 -2 ثانية -1، 1 × 10 -1 -1 ثانية لتوليد التحقق من صحة البيانات للنموذج.
  4. إذا تم الانتهاء من التجارب تأخذ عينة من نظام اختبار وأداء لقياس التفاضلية مسح مقياس الكالوري (DSC) 18 لتحديد خصائص المواد الحرارية (حرارة كامنة في مرحلة التحول والقدرة الحرارة النوعية للمادة) من المادة استقرت.
    ملاحظة: القياسات DSC توفر البيانات المدخلة من السعرات الحرارية لنموذج يقترن الحرارية ميكانيكيا.
  5. بدء محاكاة لاختبارات الشد هو موضح في الخطوة 5.3.
    1. تنفيذ نموذج مخصص لسبائك ذاكرة الشكل في برنامج العناصر المحدودة المتاحة تجاريا:
      1. حدد العقدة الهندسة واختيار الفاصل الزمني للرسم الهندسي سلك 1D.
      2. حدد معلمات عقدة لتحديد معالم النموذج التي تم تحديدها من الاختبارات الميكانيكية في الظريفص 5.2.
      3. بزر الماوس الأيمن فوق العقدة التعاريف وتحديد المتغيرات لإنشاء عقدة المتغيرات. تحديد المتغيرات العقدة وتحديد خوارزمية لتحديد احتمالات الانتقال المستمدة من الديناميكا الحرارية الإحصائية 19.
      4. حدد إضافة الفيزياء وإضافة معامل نموذج المعادلات التفاضلية الجزئية أو العامة نموذج المعادلات التفاضلية الجزئية لتحديد مجموعة من المعادلات التفاضلية الجزئية ذات بعد واحد واصفا سلوك superelastic الشكل الذاكرة ألمنيوم، التي تتألف من التوازن الزخم ثابتة، توازن الطاقة الداخلية والمعادلات الحركية للمرحلة تحول 20 .
    2. تحديد القيم الأولية العقدة الفرعية لضبط درجة الحرارة الأولية من السلك إلى درجة حرارة البيئة.
      1. اختر ديريتشليت الحدود الحالة أن تفرض شروط الحدود الميكانيكية لتطبيق إجهاد بعد إجراء التجارب الموضحة في قسم 2، لمعدلات الإجهاد في الحادي والعشرينالجيش الشعبي 5.3، تحد من النزوح من طرف واحد من الأسلاك وتنص على النزوح من الطرف الآخر.
      2. اختر ديريتشليت الحدود الحالة لتحديد شروط الحدود الحرارية لدرجة حرارة ثابتة بسبب المشابك ضخمة بالمقارنة مع أسلاك رقيقة.
        ملاحظة: لا تؤدي الإعدادات المعيارية لبرنامج العناصر المحددة إلى حل المتقاربة.
      3. حدد العقد من الباطن من تكوين حلالا لتعديل الإعدادات القياسية (على سبيل المثال، التحمل المطلقة والنسبية ومعامل التخميد من غير الخطية، تكرارية نيوتن-رافسون حلالا) وانقر على "حساب" لتشغيل حلالا.
  6. تحليل البيانات
    1. تحميل النتائج التجريبية والمحاكاة في برنامج تحليل البيانات وتصور البيانات الميكانيكية والحرارية.
    2. مقارنة نتائج التجارب والمحاكاة، ومنها الميكانيكية (الإجهاد / استجابة سلالة) والحرارية (خاص حلها تطور درجة حرارةعينة) السلوك المادي.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

استقرار المواد (التدريب):

ويبين الشكل 9 رسم تخطيطي الإجهاد / سلالة من 50 دورة تدريبية. العينة التحقيق هو الشريط ني تي مع قطاع عريض من A = 1.45 مم 2. معدل سلالة تطبيقها من 1 × 10 -3 ثانية -1 يؤدي إلى زيادة متوسط ​​درجات الحرارة من ΔT = 12.2 ك وارتفاع درجة الحرارة له تأثير كبير على الواقع لتحقيق الاستقرار 12- 14؛ بالإضافة إلى الاستقرار الميكانيكي، لتحقيق الاستقرار الحراري يمكن ملاحظتها أيضا. الفيلم 1 يبين توزيع درجة الحرارة على عينة خلال ثلاث دورات التدريبية الأولى، ومعدل الإطار هو أعلى خمسة أضعاف قياس الوقت الحقيقي. تم إيقاف التجربة بعد كل دورة وإعادة تشغيله في أقرب وقت وصلت العينة درجة الحرارة المحيطة. وتجانس تأثير elastocaloricويلاحظ مع ذلك شدة القمم درجة الحرارة تنخفض عن طريق زيادة عدد الدورات.

الرقم 9

الرقم 9. الاستقرار الميكانيكي للثنائي الشريط ني تي في التدريب. الرسم الإجهاد / سلالة من 50 دورة تدريبية بمعدل سلالة من 1 × 10 -3 ثانية -1.

توصيف المواد:

نتائج توصيف المواد elastocaloric من الشريط NiTiCuV (A = 1.07 مم 2) هو موضح في الشكل (10). والإجهاد / مخطط السلالة في الشكل 10 (أ) يدل على أن زيادة معدلات الإجهاد تؤدي إلى زيادة العرض التباطؤ 12، 21 . هذا الارتباط هو نتيجة لسو التغير في درجة الحرارة خلال مرحلة التحول، والذي يظهر أيضا في الرسم البياني نسبة ΔT سلالة (الشكل 10 (ب)). وعلاوة على ذلك، ويبين الرسم البياني أن بمعدلات أعلى من سلالة 5 × 10 -2 ثانية -1 لا يوجد أي زيادة أخرى من التغير في درجة الحرارة. ركود التغير في درجة الحرارة يشير إلى أن يتم الوصول إلى الحد ثابت الحرارة، والتي يمكن أيضا أن تستمد من ركود المرتبطة بدرجات الحرارة إلى زيادة الضغوط النفسية (كما هو موضح في الرسم البياني الإجهاد والانفعال). وعلاوة على ذلك، فإن انحراف صغير بين التغير في درجة الحرارة متوسط ​​وأقصى بمعدلات مرتفعة يدل على أن مادة تحول متجانس تقريبا. المقارنة من أشرطة الفيديو الأشعة تحت الحمراء التي اكتسبوها خلال تجارب أجريت بمعدل سلالة من 1 × 10 -3 ثانية -1 (انظر فيلم 2 (التحميل) وفيلم 3 (التفريغ)) وبمعدل سلالة من 1 × 10 -1 ثانية -1 (انظر الفيلم 4 (التحميل و10 مرات أبطأ) و 5 فيلم (تفريغ 10 مرات أبطأ)) يدل على تجانس تأثير elastocaloric عن طريق زيادة معدلات التوتر.

وبناء على توصيف المواد، وكفاءة المواد يمكن تحديدها. عمل دورة شحن وتفريغ ثابت الحرارة بمعدل سلالة من 1 × 10 -1 -1 ثانية ما يعادل المناطق في الرسم البياني قوة انحراف في الشكل (11). وتبين المنطقة الحمراء العمل غير قابل للاسترداد من التباطؤ الذي وتؤخذ في الاعتبار لتحديد معامل الأداء (COP) من هذه المادة. يتم احتساب الحرارة على أساس التغير في درجة الحرارة سلبي متوسط ​​20 ك والسعة الحرارية من العينة، في حين يمكن تحديد السعة الحرارية من قبل مع الأخذ في الاعتبار قدرة الحرارة النوعية (حزب المحافظين = 0.46 J / (كغم K))، الكثافة (ρ = 7340 كجم / سم 3) وحجم العينة. مؤتمر الأطراف الناتجة من 7 هو فuotient من الحرارة الممتصة والأعمال الميكانيكية. طريقة بيانية لتحديد كفاءة عمليات التبريد elastocaloric استنادا إلى تحليل الحرارية من دورات التبريد الموضح في شميت وآخرون. 22

الرقم 1O

الرقم 10. المواد التوصيف. تعتمد على معدل الإجهاد / سلالة مخطط (أ) و ΔT / سلالة الرسم البياني معدل تبين الحد الأدنى، والحد الأقصى ويعني SMA التغير في درجة الحرارة (ب) من الشريط NiTiCuV. تم الإبقاء على الضغط المستمر لمدة 150 ثانية بعد التحميل والتفريغ.

الرقم 11
الرقم 11. العمل. القوة / رسم بياني انحراف الشريط NiTiCuV (A = 1.07 مم 2) دأورينغ على التحميل والتفريغ دورة ثابت الحرارة. وقد ظل انحراف ثابت لمدة 150 ثانية بعد التحميل والتفريغ. العمل هو ما يعادل المناطق في الرسم البياني في حين أن العمل خلال يحتمل أن تعافى التفريغ.

عملية التبريد:

رسم بياني للقوة انحراف في الشكل 12 (أ) يظهر السلوك الميكانيكي للعينة NiTiCuV تتميز سابقا خلال 40 دورة التبريد. تم تعيين وقت الاتصال بين المتوسط ​​الحسابي ومصدر الحرارة / المصارف إلى 6 ثانية وتم تعيين معدل الضغط إلى 1 × 10 -1 ثانية -1. ويظهر الرسم البياني لمرة ودرجة الحرارة في الشكل 12 (ب) زيادة درجة حرارة بالوعة الحرارة وانخفاض درجة الحرارة من مصدر الحرارة خلال دورات التبريد 40، والذي يتغير شروط الحدود الحرارية للعملية. وعلاوة على ذلك، فإن تأثير ج الحدودonditions إلى الميكانيكية والسلوك المادي الحراري يمكن ملاحظتها. فيديو الأشعة تحت الحمراء (فيلم 6) ويظهر ذلك من خلال زيادة عدد دورات الحد الأدنى والحد الأقصى لدرجة الحرارة وتغير من المواد النقصان وهذا ينعكس أيضا في انخفاض العرض التباطؤ (انظر الشكل 12 (أ)). بعد الدورة الأولى، ينشأ ملف تعريف درجة الحرارة غير متجانسة لأن المشتت الحراري / المصدر لا الاتصال SMA الشريط كله (انظر الفيلم 6). الملف الشخصى درجة حرارة مختلفة كبير من SMA بعد الدورة الأولى يؤدي إلى انخفاض الضغط التحول في الدورة الثانية (انظر الشكل 12 (أ)). يعتمد مؤتمر الأطراف في العملية بقوة على درجة حرارة بالوعة الحرارة ومصدر الحرارة كما هو موضح في الشكل (13). والفرق في درجة الحرارة المتزايدة بين المشتت الحراري ومصدر الحرارة يؤدي إلى مؤتمر الأطراف في تناقص، الذي يرتبط الفرق في درجة الحرارة تتناقص بين مصدر الحرارة والعشرينالبريد SMA. يتم احتساب مؤتمر الأطراف على أساس العمل غير قابل للاسترداد (انظر الشكل 10) والحرارة الممتصة خلال الاتصال بين المتوسط ​​الحسابي ومصدر الحرارة. يتم تحديد الحرارة التي تمتصها مع مراعاة السعة الحرارية للSMA والتغير في درجة الحرارة يعني من المتوسط ​​المتحرك أثناء الاتصال إلى مصدر الحرارة. تظهر مساحة قوة التبريد لكل وحدة من عملية اتجاها يعادل (انظر الشكل 14). ويمكن حساب قوة التبريد في وحدة المساحة على أساس الحرارة الممتصة في كل دورة، دورة الزمن من 13.1 ثانية والمساحة السطحية للعينة في اتصال مع مصدر الحرارة (8.4 × 10 -6 م 2). هذا مثال على عملية التبريد على أساس المتوسط ​​المتحرك يوضح أن المواد تبين سلوك مختلف في ظل ظروف عملية مقارنة لخصائص مادية. نقل الحرارة والتحكم في العمليات تؤثر على أداء التبريد للمواد ويجب أن تؤخذ بعين الاعتبار للتحقق من صحة ELASTالمواد ocaloric.

الرقم 12
الشكل 12. عملية التبريد. رسم القوة / انحراف (أ) ودرجة الحرارة / الوقت المخطط (ب) من عملية التبريد 40 دورة مع عينة NiTiCuV (A = 1.07 مم 2)، ووقت الاتصال من 6 ثانية.

الرقم 13
الرقم 13. مؤتمر الأطراف في عملية التبريد. يؤدي عدد متزايد من دورات التبريد لمؤتمر الأطراف تناقص والفرق في درجة الحرارة بين زيادة امتصاص الحرارة ومصدر الحرارة.

الرقم 14
الرقم السلطة 14. التبريد من هذه العملية. وهناك عدد متزايد من دورات التبريد يؤدي إلى انخفاض في سجعالسلطة لينغ في وحدة المساحة والفرق في درجة الحرارة بين زيادة امتصاص الحرارة ومصدر الحرارة.

التحقق من صحة نموذج:

ويبين الشكل 15 (انظر أيضا فيلم 7) المقارنة بين التجربة ومحاكاة لاختبار الشد يؤديها بمعدل سلالة من 1 × 10 -3 ثانية -1. وكانت عينة المقارنة سلك ني تي التي يبلغ قطرها 0.6 ملم وطول لقط من 90 ملم. نموذج الكامنة وراء المحاكاة هو تعديل من جانب thermomechanically نموذج مولر آخينباخ-Seelecke (MAS) 23، 24، 19. تم توسيع نموذج للسماح لمحاكاة مرحلة التحول المحلية وتوزيع درجات الحرارة غير متجانسة. المقارنة بين النتائج التجريبية (انظر فيلم 7 (أ)) والمحاكاة (انظر فيلم 7 (ب)) يدل على أن هذا النموذج هو قادرة على إنتاج الميكانيكية وكذلك سلوك المواد الحرارية. تظهر حقول درجة حرارة محاكاة قمم درجة الحرارة محلية وشدة القمم تظهر وجود علاقة جيدة مع التجربة. وعلاوة على ذلك، فإن توقيت درجة الحرارة ذروتها تشكيل وانخفاض الضغط الناتج يظهر اتفاق جيد. لا يقتصر نهج نموذج يطبق فقط على محاكاة السلوك المادي في حمولة الشد، أيضا تحميل الانحناء يمكن محاكاة 25. نموذج دوافع جسديا يسمح لتحليل مفصل من الآليات الكامنة ويدعم العملية وتحسين المواد عن طريق الحد من جهود التنمية التجريبية والمادية.

الرقم 15
الرقم 15. مقارنة بين التجربة (أ) و المحاكاة (ب) نتائج الأسلاك ني تي التي يبلغ قطرها 0.6 ملم (A = 0.2734 ملم2)، والتحقق من صحة التجربة هو اختبار الشد بمعدل سلالة من 1 × 10 -3 ثانية -1.

الشكل 1
الشكل 1 (فيلم). ثابت الحرارة مرحلة التحول من عينة SMA. وثابت الحرارة، طارد للحرارة مرحلة التحول من الأوستينيت إلى مارتنسيت يزيد من درجة حرارة SMA والتحول ماص للحرارة من مارتنسيت إلى الأوستينيت يؤدي إلى انخفاض كبير في درجات الحرارة. (انقر بزر الماوس الأيمن ل تحميل هذا الفيلم)

الشكل 2
الشكل 2 (فيلم). دورة التبريد Elastocaloric. ونقل الحرارة بين مصدر الحرارة وSMA تتم في درجات الحرارة المنخفضة. في المرحلة المقبلة،المتوسط ​​المتحرك في دولة خالية من الاتصال وسريع (ثابت الحرارة) تحميل يزيد من درجة حرارة SMA. نقل الحرارة لاحق بين المتوسط ​​المتحرك الساخن والحرارة بالوعة تجري في سلالة المستمر للSMA. عند الانتهاء من نقل الحرارة والتفريغ ثابت الحرارة سريع يؤدي إلى انخفاض درجة الحرارة كبير من SMA. (انقر بزر الماوس الأيمن ل تحميل هذا الفيلم)

الشكل (3)
الشكل (3) (فيلم). 3D تجميع الرسوم المتحركة ويبين الرسوم المتحركة المكونات الرئيسية في الطابق العلوي من منصة الاختبار. (انقر بزر الماوس الأيمن ل تحميل هذا الفيلم)

الشكل (4)
الرقم 4 (فيلم). الرسوم المتحركة 3D من جهاز الاختبار. تحميل هذا الفيلم)

الشكل (6)
الرقم 6 (فيلم). 3D تجميع الرسوم المتحركة ويبين الرسوم المتحركة المكونات الرئيسية في الطابق السفلي من جهاز الاختبار. (انقر بزر الماوس الأيمن ل تحميل هذا الفيلم)

الرقم 8
الرقم 8 (فيلم). 3D الرسوم المتحركة من جهاز الاختبار. ويبين الرسوم المتحركة دورة التبريد elastocaloric. (انقر بزر الماوس الأيمن ل تحميل هذا الفيلم)

فيلم 1 ج = "/ ملفات / ftp_upload / 53626 / 53626movie1.jpg" />
الفيلم 1. الأشعة تحت الحمراء فيلم من ثلاث دورات تدريبية الأولى من الشريط ني تي بمعدل سلالة من 1 × 10 -3 ثانية -1 (5X معدل التشغيل). ويعرض الفيلم الأشعة تحت الحمراء تأثير تجانس متزايد من تأثير elastocaloric عن طريق زيادة عدد من الدورات التدريبية. (انقر بزر الماوس الأيمن ل تحميل )

فيلم 2
فيلم 2. تحميل الميكانيكية من الشريط NiTiCuV بمعدل سلالة من 1 × 10 -3 ثانية -1 (IR فيلم، معدل التشغيل 1X). ويعرض الفيلم الأشعة تحت الحمراء لتوزيع درجة الحرارة غير متجانسة على سطح SMA. (انقر بزر الماوس الأيمن ل تحميل )

رقيقة الصفحات = "1"> فيلم 3
فيلم 3. التفريغ الميكانيكية من الشريط NiTiCuV بمعدل سلالة من 1 × 10 -3 ثانية -1 (IR فيلم، 1X معدل التشغيل). ويعرض الفيلم الأشعة تحت الحمراء لتوزيع درجة الحرارة غير متجانسة على سطح SMA. (انقر بزر الماوس الأيمن ل تحميل )

فيلم 4
فيلم 4. تحميل الميكانيكية من الشريط NiTiCuV (A = 1.07 مم 2) بمعدل سلالة من 1 × 10 -1 ثانية -1 (IR فيلم، 10X أبطأ معدل التشغيل). ويعرض الفيلم الأشعة تحت الحمراء لتوزيع درجة الحرارة متجانسة على SMA سطح. (انقر بزر الماوس الأيمن ل تحميل )

الصفحة = "1"> فيلم 5
فيلم 5. تفريغ الميكانيكية من الشريط NiTiCuV بمعدل سلالة من 1 × 10 -1 ثانية -1 (IR فيلم، 10X أبطأ معدل التشغيل). ويعرض الفيلم الأشعة تحت الحمراء لتوزيع درجة الحرارة متجانسة على سطح SMA. (انقر بزر الماوس الأيمن ل تحميل )

الفيلم 6
فيلم 6. الأشعة تحت الحمراء فيلم من عملية التبريد 40 دورة، ووقت الاتصال بين عينة NiTiCuV والمشتت الحراري تم تعيين / المصدر إلى 6 ثانية. ويعرض الفيلم دورات: 1، 2، 11، 12، 21، 22، 31، 32 و 40. (انقر بالزر الأيمن لل تحميل )

ز "/>
فيلم 7. مقارنة بين التجربة والمحاكاة نتائج الأسلاك ني تي التي يبلغ قطرها 0.6 ملم (A = 0،2734 ملم 2). التجربة التحقق من صحة هو اختبار الشد بمعدل سلالة من 1 × 10 -3 ثانية -1. نموذج قادر على إنتاج سلوك المواد الميكانيكية والحرارية، ويتيح التنبؤ جبهات درجات الحرارة التي تظهر أثناء ركوب الدراجات الميكانيكية. (انقر بزر الماوس الأيمن ل تحميل )

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

اختبار تلاعب العلمي قدمت يتيح تحقيق شامل من المواد elastocaloric وعمليات التبريد عن طريق إجراء التجارب الموضحة في قسم البروتوكول. محاذاة دقيقة من العينة قبل لقط أمر بالغ الأهمية لجميع التجارب. محاذاة السيئة يمكن أن تؤدي إلى فشل المواد في وقت مبكر. وعلاوة على ذلك، تطبيق الحد الأقصى السلالة لها تأثير كبير على حياة مادية، في حين أن سلالة المطلوب للوصول إلى مرحلة التحول الكامل يعتمد على تكوين سبيكة. سلالة التحول من سبيكة NiTiCuV التحقيق (انظر الشكل 10) هو أقل بكثير من سلالة التحول من سبيكة ني تي هو مبين في الشكل (9) والشكل (13). ولهذه الغاية، الاختبارات الأولية لتحديد سلالة التحول والتي يتعين القيام بها ل سبائك جديدة.

وكانت احتياجات التنمية لمنصة الاختبار ومراقبة مستقلة للعملية صarameters ورصد السلوك الحرارية والميكانيكية من مكونات عملية التفاعل (عينة SMA، مصدر الحرارة وامتصاص الحرارة) خلال جميع مراحل دورة. لذلك، وقد شنت المشتت الحراري ومصدر الحرارة بجانب بعضها البعض مما يتيح في وقت واحد، وقياسات الحراري من العينة SMA ومصدر الحرارة / المصارف خلال جميع مراحل العملية. توزيع درجة الحرارة غير متجانسة على الشريط SMA، فضلا عن تأثير تطور درجة حرارة بالوعة الحرارة ومصدر الحرارة على سلوك SMA (انظر الشكل 10 والفيلم 6)، دلالة على الحاجة للتحقيق في عملية الحراري. الملف الشخصى درجة الحرارة والتبادل الحراري غير متجانس لا تؤثر فقط على كفاءة العملية؛ ويتأثر عمر المادي أيضا التعريف درجة الحرارة. ارتفاع درجات الحرارة خلال الرصاص الدراجات الميكانيكية إلى زيادة كبيرة من التعب الوظيفي والهيكلي للمادة 12- 14 6 دورات. من أجل تحديد الشخصية درجة حرارة المواد عن طريق الحراري، وأظهرت التجارب الأولية أن متجانس، وارتفاع معامل الابتعاثية من المواد مطلوب. طلاء المواد (الورنيش الابتعاثية عالية) يوفر معامل الابتعاثية أكثر استنساخه، بغض النظر عن تكوين سبائك والمعالجة السطحية تطبيقها من العينات. التحقيق في توزيع درجة الحرارة على شريط SMA بطول 90 مم يتطلب قرارا من حوالي 80 ميكرون / بكسل لتغطية طول عينة كاملة مع 1280 بكسل. هذا يحد من الحد الأدنى للعرض عينة إلى 240 ميكرون لضمان أن واحدا على الأقل ودائما مغطاة بالكامل من قبل عينة بكسل الأشعة تحت الحمراء. يمكن التحقيق عينات أصغر مع كاميرا الأشعة تحت الحمراء في تركيبة مع عدسة المجهر، إذا كان قياس درجة حرارة الملف الشخصيمن عينة كاملة غير مطلوب. توفر عدسة المجهر قرار من 15 ميكرون / بكسل وتمكن التحقيق من العينات مع عرض 45 ميكرون.

تمكن منصة اختبار علمي يهدف كذلك التحقيق في دورات التبريد elastocaloric المتقدمة. تحميل غير ثابت الحرارة من المتوسط ​​المتحرك في اتصال مع بالوعة الحرارة يمكن أن تقلل من درجة الحرارة القصوى SMA خلال هذه العملية، مما يزيد من كفاءة عن طريق الحد من عرض التباطؤ. وعلاوة على ذلك، يمكن أن انخفاض درجات الحرارة القصوى SMA يحتمل أن تزيد من عمر المادي.

أظهرت نتائج ممثلة من قبل جهاز الاختبار العلمي الذي تحقق أن منصة الاختبار يسمح للتحقيق في سبائك مختلفة ذات أبعاد مختلفة وعوامل النموذج. يقتصر الحد الأقصى المقطع العرضي من العينات إلى 1.8 مم 2. ويستند هذا القيد على القوة المتواصلة القصوى للمحرك المباشر خطية من 1200 N. أبعاد العينة influence والتحكم في العمليات، في حين تتأثر معدلات الإجهاد الذي عينات تحويل adiabatically في المقام الأول من السطح إلى نسبة المقطع العرضي. وبالإضافة إلى ذلك، وقت الاتصال بين المتوسط ​​الحسابي ومصدر الحرارة / المصارف يجب أن تتكيف مع أبعاد عينة من أجل تحسين كفاءة و / أو قوة التبريد. سطح كبير لنسبة المقطع العرضي يقلل من دورة الزمن ونسبة عكسية تؤدي إلى عمليات أبطأ. اختيار حجم العينة، وكذلك الهندسة العينة، ويحدد وتيرة التشغيلي للجهاز تبريد elastocaloric في المستقبل، ويجب أن تتكيف مع متطلبات التطبيق.

مطلوب الأمثل للعمليات التبريد elastocaloric من أجل إقامة تقنية التبريد رواية الصديقة للبيئة التي يمكن أن تكون بديلا منافسا للعملية ضغط على أساس بخار التقليدية. إعداد الاختبار العلمي تصميم وتطوير خلائط جديدة مثل NiTiCu 26 و نيتيCUV هي الخطوات الأولى في تطوير جهاز تبريد فعالة. إلى أفضل المعارف من الكتاب، وهذا الإعداد العلمي هو أول نظام الذي يسمح التحقيق في خصائص elastocaloric من المتوسط ​​المتحرك أثناء عمليات التبريد على أساس الحالة الصلبة من خلال رصد درجة حرارة SMA ومصدر الحرارة / المصارف خلال جميع الخطوات العملية . وهناك تعديل على التوالي إلى الأمام من مصدر الحرارة / المصارف والمشابك يسمح للتحقيق في نقل الحرارة بالتوصيل من المتوسط ​​المتحرك مع عوامل أخرى مثل شكل شبكات وأنابيب. ومع ذلك، تم تطوير اختبار تلاعب العلمي من جهة نظر والعلمية، ويوفر إمكانية مادية وعملية التحقيقات شاملة للعملية ومادية أمثل بدلا من أداء النظام عالية. ويطلب المزيد من الخطوات من أجل نقل النتائج التي تم الحصول عليها مع إعداد علمي تجريبي للتصميم جهاز تبريد elastocaloric. في هذا السياق، وضعت م إلى جانب thermomechanicallyمركز Odel يدعم عملية التنمية محاكاة عملية التبريد على مستوى الجهاز.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Acknowledgements

فإن الكتاب أن نعترف بدعم من برنامج الأولوية DFG 1599 "الآثار السعرات الحراريه في المواد ferroic: مفاهيم جديدة لتبريد" (مشاريع: EG101 / 23-1، SCHU2217 / 2-1، SE704 / 2-1، EG101 / 29 -2، SCH2217 / 3-2، SE704 / 2-2).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Linear direct drives ESR-Pollmeier ML 1418-U5-W1 SMA loading/unloading; heat transfer
Pneumatic cylinder  Festo ADNGF-40 574031 Contact between heat source/sink and SMA
Inductive position measurement system  AMO LMKA-1101.1NN-1.0-0
Tension and compression load cell Futek LCF451; FSH02241 SMA force
Compression load cell Futek LTH300; FSH00297 Contact force
IR camera Infra Tec Image IR 9360; M91129 1,280 x 1,024 pixels; Maximum frame rate 3,200 Hz
Real-Time Controller  National Instruments NI CompactRIO-9074 Data acquisiton and control system
Camera varnish Tetenal 105202

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  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).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Video Stats