שיטות ניסיוניות לחקירות זיכרון צורה Elastocaloric בהתבסס תהליכי קירור ותיקוף דגם

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

סגסוגות זיכרון (SMA) באמצעות תהליכי קירור elastocaloric יש פוטנציאל להיות חלופה ידידותית לסביבה לתהליך הקירור המבוסס דחיסת אדים הקונבנציונלי. ניקל-טיטניום (Ni-Ti) מערכות מבוססות סגסוגת, במיוחד, להראות השפעות elastocaloric גדולות. יתר על כן, התערוכה חום כמוס גדול המהווה נכס מהותי הנדרש לפיתוח תהליך קירור מבוסס יעיל של מצב מוצק. אסדת בדיקה מדעית תוכננה כדי לחקור תהליכים אלה ולהשפעה elastocaloric ב SMAs. אסדת הבדיקה הבינה מאפשרת שליטה עצמאית של המחזורים פריקים והטעינה המכאניות של SMA, כמו גם העברת חום מוליך בין אלמנטי קירור SMA ומקור חום / כיור. אסדת המבחן מצוידת במערכת ניטור מקיפה מסוגלים מדידות מסונכרנות של פרמטרים מכאניים ותרמית. בנוסף לקביעת העבודה המכאנית תלוי התהליך, המערכת גם מאפשרת measurement היבטים הקלורי התרמיים של אפקט קירור elastocaloric דרך שימוש במצלמה אינפרא אדום בעל ביצועים גבוהים. שילוב זה הוא בעל עניין מיוחד, משום שהיא מאפשרת איורים של תופעות לוקליזציה וקצב - שניהם חשובים להעברת חום יעילה מהמדיום להיות מקוררות.

העבודה הציגה תאר שיטה ניסיונית לזהות תכונות חומר elastocaloric בחומרים שונים גיאומטריות מדגמות. יתר על כן, את מעטה הבדיקה משמשת לחקור וריאציות תהליך קירור שונות. שיטות הניתוח הציגו לאפשר שיקול בדיל של חומר, תהליך והשפעות מצב בגבול הקשורים על יעילות התהליך. ההשוואה של נתוני ניסוי עם תוצאות הסימולציה (של מודל אלמנטים סופי מצמיד thermomechanically) מאפשרת הבנה טובה יותר של הפיזיקה הבסיסית של אפקט elastocaloric. בנוסף, תוצאות הניסוי, כמו גם את הממצאים based על תוצאות הסימולציה, משמשים כדי לשפר את תכונות החומר.

Introduction

תהליכי קירור מצב מוצקים המבוססים על חומרי ferroic יש פוטנציאל להיות חלופות ידידותיות לסביבה לתהליך המבוסס דחיסת אדים הקונבנציונלי. חומרים Ferroic עשוי להפגין magnetocaloric, electrocaloric ואפקטים elastocaloric 1, 2, כמו גם שילובים של השפעות אלו, אשר מתוארים כהתנהגות חומר multicaloric 3. ההשפעות הקלורי השונות בחומרי ferroic כרגע נבדקות במסגרת הקרן הלאומית למדע הגרמני (DFG) התכנית העדיפה SPP 1599 "אפקטי קלורי ב Ferroic חומרים: מושגים חדשים עבור קירור" 4. זיכרון צורה סגסוגות (SMA) אשר מתבררים בתוך תכנית זו להראות השפעות elastocaloric גדולות, בסגסוגות Ni-Ti המבוסס בפרט עקב החום הכמוס הגדול שלהם 5. השינוי בשלב המושרה זן בשיעורים זן גבוה גורם לשינויי טמפרטורה משמעותיים של SMA, כפי שמוצג באיור 1.השינוי adiabatic, שלב אקסותרמית מ austenite כדי martensite שמעלה את הטמפרטורה SMA. שינוי אנדותרמית מ מרטנזיט כדי austenite מוביל לירידה בטמפרטורה משמעותית. תכונות החומר elastocaloric אלה יכולים לשמש עבור מצב מוצק קירור תהליכים ידי החלת מחזור פריקה וטעינה מכני מתאים. איור 2 מראה מחזור הקירור elastocaloric טיפוסי, בעקבות מחזור ברייטון. העברת החום בין מקור החום והקור, פרוק SMA להתקיים ברמות טמפרטורה נמוכות. בשלב הבא, ה- SMA נמצא במצב קשר נטול הצום, טעינת adiabatic מובילה לעלייה בטמפרטורה משמעותית של SMA. ההעברה בחום לאחר מכן בין SMA החם מתקיים גוף קירור על מאמץ מתמיד של ה- SMA. עם השלמת העברת החום, מהירה, פריקת adiabatic מובילה לירידה בטמפרטורה משמעותית של SMA מתחת לטמפרטורה של מקור החום, ואז ג הקירור הבאycle והעברת חום עם מקור חום יכול להתחיל. היעילות של תהליך קירור elastocaloric תלויה בעבודה המכאנית הנדרשת ואת החום הנקלט.

ראשית, מעקב אחר ניסויים בתחום הטמפרטורה במהלך בדיקות מתיחה בוצעו על ידי שו et al. 6, 7, במטרה לחקור את ההיווצרות של פסגות טמפרטורה מקומיות במהלך בדיקות מתיחות של רצועות SMA וחוטים בשיעורים שונים. שיטת הניסוי מיושמת בשילוב מדידת הפרמטרים המכאניים (מתח, מתח וקצב זן) עם רכישת סימולטני של שדות טמפרטורה באמצעות מדידות תרמוגרפיות. במהלך פריקה וטעינה של טיפוס SMA עם מכונת בדיקות מתיחות, אינפרא אדום (IR) מצלמה שמשה לרכוש תמונות IR של מדגם SMA. טכניקה זו מאפשרת חקירה של היווצרות תלות שיעור זן של פסגות הטמפרטורה. המדידה של התפלגות הטמפרטורה עלהמדגם הוא מאוד חשוב לחקירת ההשפעות elastocaloric וקביעת מאפייני הקירור של החומר. מדידת טמפרטורה מקומית - על ידי יישום מדידת טמפרטורת קשר עמנו - אינה מספיק כדי לאפיין את מאפייני הקירור של החומר. מדידה של שדה הטמפרטורה גם שימש קואי et al. 8 לחקר תופעות elastocaloric חוטי Ni-Ti. יתר על כן, Ossmer et al. 9, 10 הראה כי מדידות טמפרטורה תרמוגרפיות מתאימות גם חקירת תופעות elastocaloric ב Ni-Ti מבוססי סרטים דקים, אשר נדרשה מסגרת חליפין גבוהים של מצלמת IR לחקירת טרנספורמציות בשלב adiabatic זן גבוה תעריפים. טכניקה זו מאפשרת לחקירת כמויות elastocaloric ואת ההומוגניות של פרופיל הטמפרטורה, אשר יש השפעה משמעותית על העברת חום-מצב מוצק המבוסס ואתיעילות של תהליכי elastocaloric.

יעילות הקירור של החומר יכול להיקבע על ידי חישוב העבודה הנדרשת בהתבסס על מדידות מתח / זן כמו גם החום (שאותה ניתן לקבוע תוך התחשבות טמפרטורת שינוי קיבולת החום של החומר). עם זאת, השיטה הניסויית אינה מאפשרת חקירת החומר elastocaloric בתנאי התהליך. זה כולל העברת חום בין SMA ומקור חום, אשר יש השפעה משמעותית על היעילות של אפקט הקירור.

אפיון חומר תנאי תהליך קירור ואת חקירת תהליכי קירור elastocaloric דורשים אסדת מבחן המאפשר העברת חום מבוססת מצב מוצק, אשר לא יכול להיחקר על ידי כל מערכת מסחרית קיימות. לשם כך, פלטפורמת בדיקות רומן פותחה. אסדת מבחן מוגדר בשתי רמות כפי שמוצג באיור 3. Uppeרמת r מאפשרת אפיון חומר elastocaloric בסיס נהלי הכשרה ראשוניים, דומה לשיטה שתוארה לעיל (ראה איור 4). ההתקנה מצוידת בכונן ישיר ליניארי מסוגל פריק וטעינת ה- SMA בשיעורי זן עד 1 שניות -1 (ראה איור 5). הכונן הישיר ליניארי מאפשר החקירה של דגימות עם חתך של עד 1.8 מ"מ 2, ואילו אורך המדגם הטיפוסי הוא 90 מ"מ. היתרון של כונן ישיר ליניארי הוא המהירות הגבוהה וההאצה הגבוהה - בניגוד כונני כדור סלילי אשר משמשים בדרך כלל עבור בדיקות מתיחות. יתר על כן, תא עומס, כמו גם מערכת מדידת עמדה המשולבת של כונן ליניארי, מספק נתוני מדידה מכאניים. מצלמת IR ברזולוציה גבוהה (1,280 x 1,024 פיקסלים) משמש כדי למדוד את פרופיל הטמפרטורה של ה- SMA עם עד 400 הרץ (בטווח הטמפרטורה הנדרשת). שימוש עדשה מיקרוסקופ עם מילolution של 15 מיקרומטר / פיקסל מאפשר החקירה של שפעות טמפרטורה מקומיות. במפלס התחתון של אסדת המבחן מכיל מנגנון המאפשר העברת חום לסירוגין מוליך בין SMA ואת גוף קירור מקור / חום (ראה איורים 6 ו -7). הכונן הישיר ליניארי במפלס התחתון בורר בין מקור החום אל SMA ומן SMA אל גוף הקירור, ואילו מרים פנאומטי גליל ומוריד את חום המקור / כיור (ראה איור 8). כל מפעיל ניתן לשלוט בצורה עצמאית המאפשר חקירה של וריאציות תהליך הקירור שונות. מערכת המדידה המקיפה מאפשרת מדידות של פרמטרים מכאניים: מיקום הינע, מהירויות הינע, כוח טעינת SMA, כוח מגע בין SMA ומקור חום / כיור במהלך העברת חום וכן פרמטרים תרמיים (כלומר, טמפרטורות בתוך מקור חום / כיור, התפלגות הטמפרטורה על פני השטח של SMA ואת מקור חום / החטאיא). תיאור מפורט יותר של פלטפורמת הבדיקה המדעית ניתן שמידט ואח '. 11.

איור 5
Scheme איור 5. של המפלס העליון של מתקן מבחן כונן ישיר ליניארי של העמסה ופריקה של מדגם SMA עם מערכת מדידת עמדה משולבת.; תא עומס מדידת כוחות מתיחים, כמו גם מצלמת IR ברזולוציה גבוהה (1,280 x 1,024 פיקסלים) לרכישות פרופיל טמפרטורה.

איור 7
איור 7. תכנית של המפלס התחתון של אסדת מבחן כונן ישיר ליניארי למיתוג בין גוף קירור המקור חום.; גליל פניאומטית ליצור קשר בין מדגם SMA והמקור / גוף קירור; חיישני טמפרטורה שולבו בכיור חום / סוRCE למדוד את טמפרטורת הליבה של הגושים. תא עומס דחיסה למדידת כוח המגע בין SMA ואת מקור החום / כיור משולב במנגנון העברת חום ולא גלוי בתכנית זו.

אסדת הבדיקה מאפשרת לחקירת יצירות סגסוגת שונות וגדל מדגם וכן גיאומטריות (סרטים, חוטים). יתר על כן, ההתקנה מאפשרת חקירות מקיפות של חומרי elastocaloric ותהליכי קירור. הניסויים שתוארו לעיל ניתן לבצע והביצוע יתואר צעד-אחר-צעד באזור הפרוטוקול של כתב היד הזה.

ייצוב החומר:

התנהגות חומר יציבה חשובה עבור השימוש בחומרי elastocaloric קירור מערכות. לשם כך, הליך ייצוב מכני מוחל. במהלך הליך זה החומר עובר מחזורי טעינה ופריקה מכאניים מבצעת שלבשינוי מ austenite כדי martensite. ייצוב החומר מראה תלות קצב חזקה. שיעורי העמסה גבוהים להוביל לשינוי טמפרטורה של החומר, אשר נגרם על ידי החום הכמוס של טרנספורמציה השלב. יש שינוי טמפרטורה זו השפעה דומה על ייצוב החומר, כמו לעשות מחזורי הכשרה מכאנית בטמפרטורות שונות 12-15. בנוסף ל -13 מכנים הידועים היטב הקלורי 16 הייצוב, ייצוב חומר תרמי ניתן לצפות עם ההתקנה תוכננה על ידי יישום תרמוגרפיה 17.

אפיון החומר:

לאחר הליך הכשרה מכאני ראשוני, בחומר מגלה התנהגות מכאנית, תרמית הקלורי יציבה המאפשרת את תכונות חומר elastocaloric להתאפיין. לכן, רכיבה מכאנית בשיעורים שונים מתבצעת ואילו, בניגוד לנוהל האימונים, elastocאפיון aloric כולל שלב חזק לאחר פריקה וטעינה. למשך בשלב החזקת זן SMA נשמר קבוע עד רמת טמפרטורת סביבה הוא הגיע שוב. סוג של ניסוי זה נדרש על מנת לקבוע את טמפרטורת ההשגה הנמוכה ביותר לאחר הפריקה, החל מרמות טמפרטורת סביבה, כמו גם את יעילות החומר. היווצרות הדרג תלויה של פסגות טמפרטורה מקומיות ניתן לצפות, עם שיעור גבוה יותר שמוביל התפלגות טמפרטורה הומוגנית יותר ויותר. יתר על כן, על ידי הגדלת שיעור זן השינוי בטמפרטורה מגדילה באופן שווה עד שתנאי adiabatic מושגות. יעילות החומר יכול להיקבע על ידי חישוב עבודה מכנית נדרש, מבוסס על דיאגרמה כוח תזוזה של ניסוי adiabatic, כמו גם החום נספג, המבוסס על שינוי הטמפרטורה הממוצעת של החומר במהלך פריקה קיבולת החום של המדגם .

Elastocתהליך הקירור aloric:

חקירת יעילות הקירור של SMAs בתנאי תהליך דורשת את העברת החום בין מדיום קירור SMA ומקור חום, כמו גם גוף קירור. לשם כך, ה- SMA נמצא בקשר עם מקור חום מצב מוצק (בעקבות פריקת adiabatic) וכיור חום (לאחר טעינת adiabatic). היעילות של תהליך תלוי בחום על בקרת תהליכים ואת תנאי שפה התרמיים. החקירה המקיפה של תהליך הקירור דורשת וריאציה של הפרמטרים המלאים על מנת לקבוע את בקרת תהליכים היעילה ביותר. השפעת הפרט של הפרמטרים (זמן מגע, זן SMA, שיעור זן SMA, שלב מגע (קשר במהלך העמסה / פריקה שלב או הבאה) ואת כוח מגע) על ביצועי התהליך צריך להיחקר. יתר על כן, את ההשפעה של המצב בגבול תרמית שינוי על ידי הגדלת מספר מחזורי קירור צריכהלהילקח בחשבון.

אימות דגם:

פיתוח מודל חומר מצמיד thermomechanically, המסוגלים להתרבות התנהגות החומר המכאנית תרמית במהלך מחזור הקירור, הוא חיוני לפיתוח של טכנולוגיית קירור רומן. המודל מאפשר לחומר ואופטימיזציה תהליך מאמץ פיתוח חומר ניסיוני מופחת. התיקוף דורש בדיקת מתיחת isothermal ראשונית של חומר התייצב על מנת ליצור את נתוני קלט חומר מכאני הנדרשים (מודולוס אלסטיות של austenite ואת שלב מרטנזיט, הרוחב של היסטרזיס המכאני, כמו גם זן טרנספורמציה). התיקוף של המודל מתקיים על בסיס בדיקות מתיחות בשיעורים שונים. נתוני קלט הקלוריות הנדרשים המודל ניתן לקבוע על ידי הסריקה calorimetry דיפרנציאלי (DSC) שבאו בעקבות הניסיונות המכאניים. מדידות DSC צריכות להתבצע after מבחן מכני כדי למדוד את תכונות החומר הקלורי של מדגם התייצב.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

לדוגמא הכנה 1.

  1. מדוד את סרט SMA עם מחוגה ולקבוע את החתך של המדגם.
  2. הכן את המדגם עבור מדידות IR על ידי ציפוי הסרט עם שכבה דקה של emissivity הגבוהה (ε = 0.96) צבע.
    זהירות: הצבע מוגדר כאזור מגרה. כפפות, משקפי מגן וגינת פה חייבות להיות משוחקים במהלך העיבוד של הצבע.

ייצוב חומר 2. (הדרכה)

הערה: רכיבה מכאנית ראשונית מוביל ייצוב חומר מכאני תרמית. חקירת השפעת הייצוב, ואת תהליך האימון עצמו, מחייב שימוש של המפעיל והחיישנים רכובים במפלס העליון של מתקן הבדיקה, כמו גם את מצלמת IR.

  1. התחל תכנית בקר מנוע ולבדוק את ההגדרות הטעונות. שינוי ההגדרות למצב מיקום ואת המצב פקוד. בדוק את המנוע נמצא במצב פעיל.
  2. Set עמדת היעד בתוכנית בקר המנוע 0 מיקרומטר ולחץ על "מבצע לאפשר" כפתור - בעמדה זו המרחק בין מלחציים הוא 90 מ"מ.
  3. מניחים את המדגם בין מלחציים של הגדרת הניסוי ולהשתמש בכלי יישור מיוחד המיועד כדי ליישר את המדגם.
  4. הדק מלחציים באמצעות סיוע גובר על מנת למנוע עומס כיפוף על תא עומס מדגם. השתמש מפתח מומנט להידוק הברגים כדי להבטיח כוח clamping לשחזור (הידוק מומנט: 20 ננומטר).
  5. בדוק מיקום המנוע הנוכחי ולוודא כי המנוע הוא במיקום ההתחלה (0 מיקרומטר).
  6. הפעל את תוכנת המצלמה IR ו לטעון את הכיול עבור עדשה 50 מ"מ בשילוב עם עדשת תקריב. בחר בגודל תמונה של 1,280 x 100 פיקסלים ואת טווח טמפרטורות של C -20 ° C עד 50 °. מקם את המצלמה באמצעות יחידת פוקוס המנוע ולאשר המדגם כולו נמצא בשדה הראייה של המצלמה.
    הערה: מצלמת IR, ב הקומבינהtion עם מערכת העדשה הנבחר, בעל אורך מוקד (f) של 50 מ"מ, צמצם של f / 2 ו גודל פיקסל מינימום של 60 מיקרומטר מרחק עבודה של 200 מ"מ.
  7. פתח את התכנית המלאה לאפיון הכשרת חומר וכן להגדיר את הפרמטרים המלאים (תזוזה, מהירות, זמן מחזיק, מקסימום כוח מינימאלי, מספר המחזורי וקצב תמונות מצלמה).
    1. לקבוע את מיקום ההתחלה (0 מיקרומטר) ולבחור את מיקום היעד (4,500 מיקרומטר) כך שהחומר עובר שינוי שלב שלם.
    2. הגדר את מהירות כונן הישירה ליניארי (מהירות טעינה / פריקה) כדי לענות על שיעור הזן הרצוי. בחר שיעור זן של 5 x 10 -4 שניות -1 (מהירות הינע של 45 מיקרומטר / sec) לאימוני קירור הקשורים בתהליך.
      1. קבע את מהירות הכונן ישירה ליניארי (נ) על פי שער זן נבחר ( אפסילון ) ואת אורך המדגם הראשוני (L 0) של 90 מ"מ (v = <img alt = "אפסילון" src = "/ files / ftp_upload / 53,626 / epsilon.jpg" /> ∙ l 0)
    3. קבע את זמן ההחזקה ל -0 שניות.
    4. הגדר את מספר מחזורים עד 1 במחזור הראשון עם מדגם חדש.
    5. הגדר את מינימום המדגם ספציפי ורמת כוח מרבית למנוע עומס דחיסה ועומס מתיחה (עומס מינימאלי 1 מגפ"ס, עומס מרבי 800 מגפ"ס).
    6. בחר הרכישה בשיעור מצלמת IR של 50 מילי-שניות / מסגרת (20 מסגרות לשנייה).
    7. לחץ על כפתור התחל כדי לטעון את הגדרות.
  8. פתח את תוכנת מצלמת IR, בחר שם קובץ ולהקצות 5,000 מסגרות.
    1. Switch ממדיה הפנימיים מקור טריגר חיצוני ולהתחיל במצב רכישת נתונים.
  9. פתח את התכנית המלאה לחץ על הלחצן התחל את הניסוי.
  10. ויזואליזציה נתונים
    1. לאחר הניסוי נגמר, לטעון את הנתונים לתוך תוכנת עיבוד נתונים ולדמיין את זה במונחים של כוח / עקירה, stress / זן, כוח / זמן ודיאגרמות עמדה / שעה.
    2. טען את נתוני IR לתוך תוכנת מצלמת IR ולהעריך את פרופילי טמפרטורת הזמן לפתור. גדר אזור מדידה אשר מכסה את פני השטח של סרט SMA ואת עלילת הטמפרטורה המקסימלית ואת המינימום הממוצעת של המדגם ביחס לזמן.
  11. חזור על שלבי 2.6 עד 2.9 עד בחומר מגלה התנהגות מכאנית יציבה ולהתאים את מיקום ההתחלה כדי לפצות על זנים שיורית.
    1. לאחר 10 המחזורים הראשונים, להגדיל את המספר מחזורי לכל ניסוי 10 והמשך עם הניסויים עד התנהגות חומר יציבה הוא הגיעה.

3. אפיון החומר

הערה: אפיון החומר מחייב שימוש של המפעיל והחיישנים רכובים במפלס העליון של מתקן הבדיקה, כמו גם את מצלמת IR. במהלך הליך אפיון המדגם טעון פרק בשיעורים שונים בעת ביצועתקופה חזקה לאחר פריקה וטעינה.

  1. אם סרט SMA כבר unclamped ומערכת שליטה על אסדת הבדיקה כבר כיבה לאחר אימון, חזור על שלבים 2.1 כדי 2.6 ו מהדק את המדגם שוב. אם זה לא היה המקרה, המשך כדלהלן.
  2. פתח את התכנית המלאה לאפיון הכשרת חומר וכן להגדיר את הפרמטרים המלאים (תזוזה, מהירות, מחזיק זמן, מספר המחזורי ומסגרת מצלמת שיעור).
    1. לקבוע את המיקום ההתחלה כך המדגם הוא תחת עומס אפס ולהגדיר המקבילה למיקום היעד למיקום היעד של אימונים (4,500 מיקרומטר).
    2. הגדר את מהירות כונן הישירה ליניארי (מהירות טעינה / פריקה) כדי לענות על שיעור הזן הרצוי. בחר קצב זן של 1 x 10 -1 שניות -1 (מהירות הינע של 9,000 מיקרומטר / sec) מה שמוביל שינוי שלב adiabatic עבור דגימות עם חתך של 0.75 מ"מ x 1.4 מ"מ ומעלה.
    3. הגדר את הזמן מחזיק 180 seג, וזה מספיק למדגם כדי להגיע לרמת הטמפרטורה הראשונית.
      שים לב: בפעם ההחזקה צריכה להיות מאומתת לאחר הניסוי על ידי חישוב זמן איזון תרמי קבוע (τ) וזמן החזקה קטנה מ- 4 x τ צריך להיות מוגבר לפני ניסוי האפיון הבא מתחיל.
    4. הגדר את מספר מחזורים עד 1.
    5. הגדר את מינימום המדגם ספציפי ורמת כוח מרבית למנוע עומס דחיסה ועומס מתיחה (עומס מינימאלי 1 מגפ"ס, עומס מרבי 800 מגפ"ס).
    6. בחר הרכישה בשיעור מצלמת IR של 5 מילי-שניות / מסגרת (200 פריימים לשנייה).
    7. לחץ על כפתור התחל כדי לטעון את הגדרות.
  3. פתח את תוכנת מצלמת IR, בחר שם קובץ ולהקצות 80,000 מסגרות.
    1. Switch ממדיה הפנימיים מקור טריגר חיצוני ולהתחיל במצב רכישת נתונים.
  4. פתח את התכנית המלאה לחץ על הלחצן התחל את הניסוי.
  5. טענת את נתוני IR לתוךתוכנת מצלמת IR. מגרש מתכוון מקסימלית מדגם מינימום בטמפרטורות לעומת זמן. לייצא את הנתונים ולחשב את זמן איזון תרמי מתמיד עם תוכנת עיבוד נתונים 10,11.
  6. להתאים את זמן ההחזקה, אם יהיה צורך בכך, על בסיס קבוע הזמן איזון תרמי מחושב.
  7. חזור על שלבי 3.2 עד 3.5 ו לשנות את שיעור הזן מ 5 x 10 -5 שניות -1 ל- 1 x 10 -1 שניות -1, כמו גם את המתח בין 2% ל זן מרבי של 5% (הזן מרבי הוא שווה ערך ל הזן מקסימלית במהלך אימון).
  8. חקירת פסגות טמפרטורה מקומיות:
    הערה: חומר תערוכות השפעת לוקליזציה תלוי שיעור השפעת elastocaloric. בדיקה מעמיקה של ההשפעות הללו דורש החלטה מיוחדת גבוהה של פרופיל הטמפרטורה SMA. לשם כך, עדשת מצלמת IR צריכה להיות מוחלפת על ידי עדשת המיקרוסקופ. עדשת מיקרוסקופ יש צמצם של 3.0, בהגדלה של 1X ו גודל פיקסל של 15מיקרומטר מרחק עבודה של 195 מ"מ.
    1. להדליק את האור הכבוי, הסר את כל המקורות החומים מתחום הראייה של מצלמת IR ולשנות את העדשה.
    2. שינוי הגדרות כיול המצלמה לטעון כיול עדשת מיקרוסקופ בתוך טווח טמפרטורות של 20 מעלות צלזיוס עד 50 מעלות צלזיוס, בגודל תמונה של 500 x 250 פיקסלים. השתמש יחידת מיקוד המנוע ולמקד את המדגם.
    3. בצע מבחן מתיחה בקצב זן של 1 x 10 -1 שניות -1 (9,000 מיקרומטר / sec), בצע את הפעולות המתוארות בסעיף 2: ייצוב חומר.
  9. ויזואליזציה נתונים
    1. טען את הנתונים המכאניים לתוך תוכנת עיבוד נתונים ולדמיין את זה במונחים של דיאגרמות כוח / עקירה, מתח / זן, כוח / שעה ומיקום / שעה.
    2. טען את נתוני IR לתוך תוכנת מצלמת IR ולהעריך את פרופילי טמפרטורת הזמן לפתור. גדר אזור מדידה אשר מכסה את פני השטח של סרט SMA ו עלילת המקסימום הממוצעimum ואת טמפרטורת מינימום של המדגם ביחס לזמן.

4. תהליך הקירור Elastocaloric

הערה: חקירת תהליכי קירור elastocaloric מחייבת השימוש מפעיל חיישנים במפלס העליון ותחתון של ההתקנה, כמו גם את מצלמת IR. ניסויים אלה כוללים וריאציה של הפרמטרים המלאים על מנת לייעל את ביצועי התהליך.

  1. אם סרט SMA כבר unclamped ואת מעטה הבדיקה כבר כיבה לאחר אפיון החומר, חזור על שלבים 2.1 כדי 2.5 ו מהדק את המדגם שוב. אם זה לא היה המקרה, המשך כדלהלן.
  2. הפעל את תוכנת המצלמה IR ולטעון את הכיול של העדשה 50 מ"מ עם עדשת תקריב. בחר בגודל תמונה של 1,280 x 1,024 פיקסלים טווח טמפרטורות של C -20 ° C עד 50 °. מקם את המצלמה באמצעות יחידת מיקוד המנוע וודא כי המדגם כולו נמצא בשדה הראייה של המצלמה.
    הערה: מצלמת IR בשילוב עם מערכת העדשה נבחר בעל אורך מוקד (f) של 50 מ"מ, צמצם של f / 2 ו גודל פיקסל מינימום של 60 מיקרומטר מרחק עבודה של 200 מ"מ.
  3. פתח את התכנית המלאה עבור תהליכי קירור elastocaloric וכן להגדיר את הפרמטרים המלאים (תזוזה של נעה ישירה ליניארי אחד (במפלס עליון), מהירות של כונן ליניארי הישיר אחד ושתי, זמן מגע, כוח המינימום ומקסימום, שלב קשר, מספר המחזורי והמצלמה קצב פריימים).
    1. לקבוע את מיקום ההתחלה של הנעה הישירה ליניארי להעמסה ופריקה SMA, כך המדגם הוא תחת עומס אפס ולהגדיר המקבילה למיקום היעד למיקום היעד של האימונים (4,500 מיקרומטר).
    2. הגדר את המהירות (מהירות טעינה / פריקה) של הכונן הישיר ליניארי של העמסה ופריקה של SMA לפגוש שיעור זן של 1 x 10 -1 שניות -1 (9,000 מיקרומטר / sec). הגדר את המהירות של הכונן הישיר ליניארי במפלס התחתון של ההגדרה ל -100מ"מ / sec.
    3. הגדר את זמן המגע עד 6 שניות.
      שים לב: בפעם קשר קובע את משך הזמן של העברת חום ניתן להגדיר לכל ערך מעל 10 msec.
    4. בחר את איש הקשר אחרי מצב טעינה / פריקה.
      הערה: השפעות שלב הקשר אם הפריקה והטעינה היא adiabatic (קשר לאחר טעינה / פריקה) או בשילוב עם העברת חום אל גוף קירור / המקור (קשר במהלך טעינה / פריקה).
    5. הגדר את מספר מחזורים עד 40.
    6. הגדר את מינימום המדגם ספציפי ורמת כוח מרבית למנוע עומס דחיסה ועומס מתיחה (עומס מינימאלי 1 מגפ"ס, עומס מרבי 800 מגפ"ס).
    7. בחר הרכישה בשיעור מצלמת IR של 20 מילי-שניות / מסגרת (50 מסגרות לשנייה). לחץ על כפתור התחל כדי לטעון את הגדרות.
  4. פתח את תוכנת מצלמת IR, בחר שם קובץ ולהקצות 50000 מסגרות. Switch ממדיה הפנימיים מקור טריגר חיצוני ולהתחיל במצב רכישת נתונים.
  5. פתח את progr המלאam ולחץ על כפתור התחל את הניסוי.
  6. ויזואליזציה נתונים
    1. לאחר הניסוי נגמר עומס הנתונים לתוך תוכנת עיבוד נתונים ולדמיין את הנתונים הבאים: כוח / עקירה, מתח / זן, טמפרטורה / שעה (טמפרטורה של גוף קירור / המקור), כוח / זמן, כוח מגע / שעה ומיקום של מפעילים / זמן ליניארי.
    2. טען את נתוני IR לתוך תוכנת מצלמת IR ולהעריך את פרופילי טמפרטורת הזמן לפתור. גדר בשלושה תחומי מדידה אשר מכסים את פני השטח של מדגם SMA וכן את פני השטח של גוף קירור מקור החום. לייצא את הזמן נפתרו ממוצעים, מקסימום ונתוני טמפרטורת מינימום של אזורי המדידה המוגדרים לטעון אותם לתוך תוכנת עיבוד נתונים.
    3. דמיינו את נתוני IR בתרשים טמפרטורה / שעה.
  7. חזור על הניסוי תחת וריאציה של פרמטרים: זן, זמן המגע ושלב קשר.

אימות דגם 5.

  1. בצע מבחן מתיחה isothermal בקצב זן של 5 x 10 -5 שניות ו -1 זן של 5%, המשך על-ידי ביצוע השלבים המתוארים בסעיף 2.
  2. לאחר הניסוי נגמר, לטעון את הנתונים לתוך תוכנת עיבוד נתונים ולדמיין מדידת מתח / זן. חשב את מודול אלסטי של austenite ואת השלב מרטנזיט, זן טרנספורמציה כמו גם את רוחב היסטרזיס. פונקצית הנתונים האמורה כמו נתוני קלט מכאניים עבור המודל 7.
  3. בצע בדיקות מתיחה נוספות בשיעורי זן של 1 x 10 -4 שניות -1, 5 x 10 -4 שניות -1, 1 x 10 -3 שניות -1, 5 x 10 -3 -1, 1 x 10 -2 שניות -1, 5 x 10 -2 שניות -1, 1 x 10 -1 שניות -1 להפיק נתונים אימות עבור המודל.
  4. אם הניסויים הושלמו לקחת את הדגימה מחוץ למערכת הבדיקה ולבצע מדידת קלוריות סריקת הפרש (DSC) 18 כדי לקבוע את תכונות חומר הקלורי (חום הכמוס של טרנספורמציה פאזה קיבולת חום סגולית של החומר) של החומר התייצב.
    הערה: מדידות DSC לספק נתוני קלט הקלורי עבור דגם מצמידים התרמו-מכאני.
  5. התחל סימולציה של בדיקות מתיחה כמתואר בשלב 5.3.
    1. ליישם מודל מותאם אישית עבור סגסוגות זיכרון צורה לתוך תוכנת אלמנטים סופיים זמינה מסחרי:
      1. בחר צומת גיאומטריה ולבחור מרווח לצייר גיאומטרית חוט 1D.
      2. פרמטרים בוחרים צומת להגדיר פרמטרי מודל מזוהים מבדיקות מכנות STEp 5.2.
      3. לחץ לחיצה ימנית על הצומת הגדרות ובחר משתנים כדי ליצור צומת משתנים. בחר משתנים הצומת ולהגדיר אלגוריתם לקביעת הסתברויות המעבר נגזר תרמודינמיקה סטטיסטית 19.
      4. להוסיף פיסיקה בחר ולהוסיף מקדמים הטופס PDE או כללי הטופס PDE להגדיר סט של משוואות דיפרנציאליות חלקיות חד ממדיות המתארות את התנהגותם של סגסוגת זיכרון צורת superelastic, מורכב מיתרת המומנטום הנייחת, יתרת האנרגיה הפנימית ומשוואות הקינטית של טרנספורמציה שלב 20 .
    2. בחר ערכים ההתחלתיים צמתים תת לקבוע את הטמפרטורה ההתחלתית של החוט לטמפרטורת הסביבה.
      1. בחר דיריכלה גבול תנאי כדי לקבוע תנאי גבול מכאניים להחלת זן בעקבות הליך הניסוי המתואר בסעיף 2, עבור השיעורים-הזן ב stEP 5.3, מגביל את ההעתק של קצה אחד של החוט וקובעות את העקירה של הקצה השני.
      2. בחר מצב בגבול דיריכלה להגדיר תנאי שפה תרמיים בטמפרטורה קבועה בגלל מלחציים מהסיבי לעומת החוט הדק.
        הערה: הגדרות סטנדרטיות של תוכנת אלמנטים הסופית אינן מובילות לפתרון מתכנס.
      3. תת-צמתים בחרו של תצורת Solver לשנות הגדרות סטנדרטיות (למשל, טולרנסים מוחלטים ויחסי ואת ריסון של קוי, פותר ניוטון-Raphson איטרטיבי) ולחצו על "לחשב" לרוץ פותר.
  6. ניתוח נתונים
    1. טען את תוצאות ניסוי וסימולציה לתוך תוכנת ניתוח הנתונים להמחיש את הנתונים המכאניים תרמית.
    2. השווה את תוצאות ניסוי וסימולציה, בהתאמה מכאנית (מתח / תגובת זן) ותרמית (התפתחות טמפרטורה נפתרה מיוחדת שלמדגם) התנהגות חומר.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

ייצוב חומר (הדרכה):

איור 9 מציג דיאגרמה מתח / זן של 50 מחזורי אימון. המדגם הנחקר הוא סרט Ni-Ti עם חתך של A = 1.45 מ"מ 2. שיעור המאמץ ליישם של 1 x 10 -3 שניות -1 מוביל לעלייה בטמפרטורה ממוצעת של ΔT = 12.2 ק גידול הטמפרטורה יש השפעה משמעותית על אפקט הייצוב 12 14; בנוסף לייצוב המכאני, ניתן לצפות התייצבות תרמית גם כן. סרט 1 מציג את התפלגות הטמפרטורה על המדגם בשלושת מחזורי האימון הראשונים, קצב הצגת התמונות חמש פעמים גבוהות יותר ככל מדידה בזמן האמת. הניסוי הופסק לאחר כל מחזור מחדש בהקדם המדגם הגיע לטמפרטורת הסביבה. המגון של אפקט elastocaloricעם זאת הוא ציין את עוצמת פסגות הטמפרטורה יורדת על ידי הגדלת מספר מחזורי.

איור 9

איור 9. ייצוב מכאני של סרט Ni-Ti בינארי במהלך אימון. בתרשים סטרס / זן של 50 מחזורי אימון בקצב זן של 1 x 10 -3 שניות -1.

אפיון החומר:

התוצאות של אפיון חומר elastocaloric של סרט NiTiCuV (A = 1.07 מ"מ 2) מוצגים באיור 10. תרשים המתח / הזן באיור 10 (א) מראה כי שיעורי זן הגדלה להוביל להגדלת רוחב היסטרזיס 7, 12, 21 . מתאם זה הוא תוצאה of השינוי בטמפרטורה במהלך שינוי השלב, אשר מוצג גם בתרשים שיעור ΔT-זן (איור 10 (ב)). יתר על כן, התרשים מראה כי שיעורי זן גבוהים מ -5 x 10 -2 שניות -1 אין עלייה נוספת של שינוי הטמפרטורה. הקיפאון של שינוי הטמפרטורה עולה כי מגבלת adiabatic הוא הגיע, אשר יכול גם להיות נגזר קיפאון של הגידול לחצים הקשורים הטמפרטורה (שמוצג בתרשים מתח-זן). יתר על כן, הסטייה הקטנה בין שינוי הטמפרטורה הממוצעת ומקסימום בשיעורים גבוהים מראה כי החומר הופך כמעט הומוגנית. ההשוואה של קטעי וידאו IR שנרכשו במהלך הניסויים שבוצעו בשיעור זן של 1 x 10 -3 שניות -1 (ראה סרט 2 (טעינה) ו -3 Movie (פריק)) ובשיעור זן של 1 x 10 -1 שניות -1 (ראה 4 Movie (טעינה, 10 פעמים לאט) ו -5 סרט (פריקה איטית 10 פעמים)) מציג את המגון של אפקט elastocaloric ידי הגדלת שיעורי זן.

בהתבסס על אפיון החומר, את היעילות של החומר ניתן לקבוע. העבודה של מחזור פריק וטעינת adiabatic בקצב זן של 1 x 10 -1 שניות -1 שווה לטייל בנופים בתרשים כוח-הסטייה באיור 11. האזור האדום מציג את העבודה הלא-ההשבה של היסטרזיס אשר נלקח בחשבון לצורך קביעת מקדם ביצועים (COP) של החומר. החום מחושב על בסיס השינוי בטמפרטורה שלילית ממוצעת של 20 K ואת קיבולת החום של המדגם, ואילו קיבול חום יכול להיקבע על ידי לקיחת בחשבון את קיבולת חום סגולי (cp = 0.46 J / (ק"ג K)), צפיפות (ρ = 7,340 ק"ג / ס"מ 3) והיקף המדגם. השוטר וכתוצאה מכך של 7 הוא quotient של חום נספג עבודה מכנית. שיטה גרפית כדי לקבוע את היעילות של תהליכי קירור elastocaloric סמך ניתוח תרמודינמי של מחזורי קירור מתואר שמידט ואח '. 22

1o איור

איור 10. אפיון החומר. דרג תלוי בתרשים מתח / זן (א) ו- ΔT / זן תרשים שיעור מראה מינימום, מקסימום ולהתכוון שינוי טמפרטורת SMA (ב) של סרט NiTiCuV. הזן היה נשמר קבוע עבור 150 שניות לאחר פריקה וטעינה.

איור 11
איור 11. עבודה. חיל / סטיה דיאגרמה של סרט NiTiCuV (A = 1.07 מ"מ 2) דuring מחזור פריקה וטעינה adiabatic. הסטייה נשמרה קבועה עבור 150 שניות לאחר פריקה וטעינה. העבודה שווה לטייל בנופים בתרשים ואילו העבודה במהלך הפריקה פוטנציאלית יכול להיות התאושש.

קירור התהליך:

תרשים כוח הסטייה באיור 12 (א) מראה את ההתנהגות המכאנית של מדגם NiTiCuV המאופיין בעבר במהלך 40 מחזורי קירור. שעת הקשר בין SMA ואת מקור חום / הכיור נקבעה ל -6 שניות ושיעור הזן נקבע ל -1 x 10 -1 שניות -1. תרשים טמפרטורה בזמן באיור 12 (ב) מראה את עליית הטמפרטורה של גוף הקירור ואת הירידה בטמפרטורה של המקור החום במשך 40 מחזורי הקירור, אשר משנה את תנאי שפה התרמיים של התהליך. יתר על כן, את ההשפעה של ג הגבולonditions אל המכני ואת התנהגות החומר תרמית ניתן לצפות. וידאו IR (הסרט 6) מראה כי על ידי הגדלת מספר מחזורי השינוי המינימאלי וטמפרטורה מקסימלית של החומר יורד זה בא לידי ביטוי גם בירידה של רוחב היסטרזיס (ראו איור 12 (א)). לאחר המחזור הראשון, פרופיל טמפרטורה הומוגניות נובע מכך גוף קירור / המקור לא קשר את סרט SMA כולו (ראה סרט 6). פרופיל הטמפרטורה השונה המשמעותי של SMA אחרי המחזור הראשון מוביל זן טרנספורמציה נמוך במחזור השני (ראה איור 12 (א)). השוטר של התהליך תלוי במידה רבה את הטמפרטורה של גוף קירור מקור החום כפי שמוצג באיור 13. הבדל הגדלת הטמפרטורה בין גוף קירור מקור חום מוביל COP יורדת, אשר קשורים הבדלי הטמפרטורה יורדים בין מקור ה חוםדואר SMA. השוטר מחושב על בסיס העבודה הלא-ההשבה (ראה איור 10) וחום נספג במהלך המגע בין SMA ואת המקור החום. החום נספג נקבע על ידי לקיחה בחשבון את קיבולת החום של SMA ושינוי הטמפרטורה הממוצע של SMA במהלך מגע למקור החום. כוח קירור ליחידת שטח הפנים של התהליך מראה מגמה מקבילה (ראה איור 14). כוח הקירור לכל שטח פן יחיד יכול להיות מחושב על בסיס החום נספג למחזור, את זמן המחזור של 13.1 שניות ואת השטח של המדגם במגע עם מקור החום (8.4 x 10 -6 מ '2). דוגמא זו של תהליך קירור מבוסס SMA מוכיחה כי בחומר מגלה התנהגות שונה בתנאי תהליך בהשוואת אפיון חומר. העברת החום ואת בקרת התהליכים המשפיעים על ביצועי הקירור של החומר צריכה להילקח בחשבון עבור האימות של Elastחומרי ocaloric.

איור 12
תהליך קירור איור 12.. בתרשים חיל / סטיה (א) וטמפרטורה / דיאגרמת זמן (ב) של תהליך הקירור 40 מחזור עם מדגם NiTiCuV (A = 1.07 מ"מ 2) ו זמן מגע של 6 שניות.

איור 13
COP איור 13. של תהליך הקירור. מספר גדל והולך של מחזורי קירור מוביל COP יורדת ושונות בלתי הגדלת הטמפרטורה בין גוף הקירור מקור חום.

איור 14
כוח קירור איור 14. של התהליך. מספר גדל והולך של מחזורי קירור מוביל לירידה של וההומהכוח לינג לכל שטח פן יחיד בדל הגדלת טמפרטורה בין גוף קירור המקור חום.

אימות דגם:

איור 15 (ראה גם סרט 7) מציג את ההשוואה בין הניסוי לבין סימולציה של מבחן מתיחה ביצע בקצב זן של 1 x 10 -3 שניות -1. המדגם ההשוואתי היה חוט Ni-Ti בקוטר של 0.6 מ"מ ובאורך הידוק של 90 מ"מ. המודל הבסיסי של הסימולציה הוא שינוי של מצמידים thermomechanically Müller-אכנבך-Seelecke (MAS) מודל 23, 24, 19. המודל הוארך כדי לאפשר הסימולציה של טרנספורמציה שלב המקומית והפצת טמפרטורה הומוגניות. ההשוואה בין תוצאות הניסוי (ראה סרט 7 (א)) ואת ההדמיה (ראה סרט 7 (ב)) מראה כי המודל הוא מסוגל לשחזר את מכניים, כמו גם התנהגות החומר התרמית. שדות הטמפרטורה המדומים להראות פסגות טמפרטורה מקומיות ואת עוצמת הפסגות מראה קורלציה טובה עם הניסוי. יתר על כן, התזמון של היווצרות טמפרטורת השיא וירידת הלחץ שנוצרה מראים הסכם טוב. גישת המודל המיושמת אינה מוגבלת רק על הסימולציה של התנהגות החומר בעומס מתיח, גם כיפוף לטעון ניתן לדמות 25. מודל המוטיבציה פיזית המאפשר ניתוח מפורט של המנגנונים ותומך תהליך ואופטימיזציה חומר ידי הפחתת מאמץ פיתוח ניסיוני וחומר.

איור 15
איור 15. השוואה בין הניסוי (א) ו- סימולציה (ב) תוצאות של חוט Ni-Ti בקוטר של 0.6 מ"מ (A = 0.2734 מ"מ2). ניסוי האימות הוא מבחן מתיחה בקצב זן של 1 x 10 -3 שניות -1.

איור 1
איור 1 (סרט). שינוי שלב Adiabatic של מדגם SMA. Adiabatic, שינוי בשלב אקסותרמית מ austenite כדי martensite שמעל את טמפרטורת SMA ואת שינוי אנדותרמית מ מרטנזיט כדי austenite מוביל לירידה בטמפרטורה משמעותית. (קליק ימני כדי להוריד את הסרט הזה)

איור 2
איור 2 (סרט). מחזור קירור Elastocaloric. העברת החום בין מקור החום ואת SMA להתקיים ברמות טמפרטורה נמוכות. בשלב הבא,ה- SMA נמצא במצב מגע ללא וההעמסה (adiabatic) המהירה שמעלה את טמפרטורת SMA. ההעברה בחום לאחר מכן בין SMA החם מתקיים גוף קירור על מאמץ מתמיד של ה- SMA. עם השלמת העברת החום, פריקת adiabatic מהר מובילה לירידה בטמפרטורה משמעותית של SMA. (קליק ימני כדי להוריד את הסרט הזה)

איור 3
איור 3 (סרט). 3D אנימצית הרכבה. ההדמיה מציגה את המרכיבים העיקריים במפלס העליון של מתקן הבדיקה. (קליק ימני כדי להוריד את הסרט הזה)

איור 4
איור 4 (סרט). 3D אנימציה של אסדת המבחן. להוריד את הסרט הזה)

איור 6
איור 6 (סרט). 3D אנימצית הרכבה. ההדמיה מציגה את המרכיבים העיקריים הרמה הנמוכה יותר של אסדת המבחן. (קליק ימני כדי להוריד את הסרט הזה)

הספרה 8
איור 8 (סרט). 3D אנימציה של אסדת המבחן. ההדמיה מציגה מחזור קירור elastocaloric. (קליק ימני כדי להוריד את הסרט הזה)

סרט 1 c = "/ files / ftp_upload / 53,626 / 53626movie1.jpg" />
סרט סרט 1. IR מהשלושה מחזורי האימון הראשונים של סרט Ni-Ti בקצב זן של 1 x 10 -3 שניות -1 (קצב השמעת 5x). סרט IR המגלה את השפעתו המגון הגובר של אפקט elastocaloric ידי הגדלה מספר מחזורי הכשרה. (קליק ימני כדי להוריד )

סרט 2
העמסה מכנית סרט 2. של סרט NiTiCuV בקצב זן של 1 x 10 -3 שניות -1 (סרט IR, קצב השמעה 1x). הסרט IR מראה התפלגות הטמפרטורה הומוגניות על פני השטח SMA. (קליק ימני כדי להוריד )

דק-page = "1"> סרט 3
פריקה מכנה סרט 3. סרט NiTiCuV בקצב זן של 1 x 10 -3 שניות -1 (סרט IR; קצב השמעת 1x). סרט IR מראה התפלגות טמפרטורה הומוגניות על פני שטח SMA. (קליק ימני כדי להוריד )

סרט 4
העמסה מכנית סרט 4. של סרט NiTiCuV (A = 1.07 מ"מ 2) בשיעור זן של 1 x 10 -1 שניות -1 (סרט IR, 10x קצב השמעה איטית). הסרט IR מראה התפלגות הטמפרטורה הומוגנית על SMA משטח. (קליק ימני כדי להוריד )

page = "1"> סרט 5
פריקה מכנה סרט 5. סרט NiTiCuV בקצב זן של 1 x 10 -1 שניות -1 (סרט IR, 10x קצב השמעה איטי). סרט IR מראה התפלגות טמפרטורה הומוגנית על פני שטח SMA. (קליק ימני כדי להוריד )

סרט 6
סרט 6. IR סרט של תהליך קירור 40 מחזור. שעת הקשר בין מדגם NiTiCuV וגוף קירור / מקור נקבע ל -6 שניות. הסרט מציג את המחזורי: 1, 2, 11, 12, 21, 22, 31, 32 ו 40. (קליק ימני כדי להוריד )

ז "/>
השוואת סרט 7. בין תוצאות ניסוי סימולציה של חוט Ni-Ti בקוטר של 0.6 מ"מ (A = 0.2734 מ"מ 2). ניסוי האימות היא מבחן מתיחה בקצב זן של 1 x 10 -3 שניות -1. המודל הוא מסוגל לשחזר את התנהגות חומר המכאנית תרמית ומאפשר חיזוי של חזיתות טמפרטורה המופיעים במהלך רכיבה על אופניים מכאניים. (קליק ימני כדי להוריד )

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

אסדת המבחן המדעית הציגה מאפשרת חקירה מקיפה של חומרי elastocaloric ותהליכי קירור על ידי ביצוע הניסויים כמתוארים בסעיף בפרוטוקול. יישור מדויק של המדגם לפני ההידוק הוא קריטי עבור כל הניסויים. יישור רע פוטנציאלי יכול להוביל לכישלון החומר המוקדם. יתר על כן, לכל היותר להחיל יש זן השפעה מהותית על החיים החומריים שעת הזן הנדרש להגיע טרנספורמציה שלב שלמה תלויה בקביעת ההרכב של הסגסוגת. זן טרנספורמציה של הסגסוגת NiTiCuV נחקר (ראה איור 10) הוא נמוך משמעותית מאשר זן טרנספורמציה של סגסוגת ניקל-Ti שמוצג באיור 9 ואיור 13. לשם כך, הניסיונות הראשוניים לזהות את זן השינוי צריך להתבצע סגסוגות חדשות.

צורכי הפיתוח עבור פלטפורמת הבדיקות היו השליטה העצמאית של התהליך parameters ועל הניטור של התנהגות תרמי המכאנית של רכיבים בתהליך האינטראקציה (מדגם SMA, מקור חום גוף קירור) במהלך כל שלבי המחזור. לכן, את גוף הקירור ואת מקור החום היו רכוב אחד ליד מדידות בו זמנית, תרמוגרפיות אחרים, מאפשרים המדגמים SMA ואת מקור חום / הכיור במהלך כל שלבי התהליך. התפלגות הטמפרטורה הומוגניות על סרט SMA, כמו גם את ההשפעה של התפתחות הטמפרטורה של גוף קירור מקור החום על התנהגות SMA (ראה איור 10 ו סרט 6), ממחיש את הצורך בחקירה של התהליך תרמוגרפיות. פרופיל הטמפרטורה מחליף חום הומוגניות לא רק להשפיע על היעילות של התהליך; חיי החומר גם מושפעים פרופיל הטמפרטורה. טמפרטורות גבוהות במהלך הובלת אופניים מכאנית לעלייה משמעותית של עייפות תפקודית המבנית של החומר 12 14 6 מחזורים. על מנת לקבוע את פרופיל הטמפרטורה של החומר באמצעות תרמוגרפיה, ניסויים ראשוניים הראו כי מקדם emissivity הומוגנית, גבוה של החומר הנדרש. הציפוי חומר (לכה emissivity גבוהה) מספק מקדם emissivity לשחזור יותר, באופן בלתי תלוי בהרכב מסגסוגת הטיפול משטח להחיל של הדגימות. חקירת התפלגות הטמפרטורה על סרט SMA עם אורך של 90 מ"מ מחייבת רזולוציה של כ 80 מיקרומטר / פיקסל לכיסוי אורך המדגם להשלים עם 1,280 פיקסלים. זה מגביל את רוחב מינימום לדגימה עד 240 מיקרומטר, כדי להבטיח שלפחות פיקסל IR אחד תמיד מכוסה לחלוטין על ידי המדגם. קטנות דגימות יכולות להיחקר עם מצלמת IR בשילוב עם עדשת המיקרוסקופ, אם מדידת פרופיל הטמפרטורההמדגם המלא אינו נדרש. עדשת המיקרוסקופ מספקת רזולוציה של 15 מיקרומטר / פיקסל ומאפשרת החקירה של דגימות עם רוחב של 45 מיקרומטר.

אסדת המבחן המדעית שנועדה נוסף מאפשרת החקירה של קירור מחזורי elastocaloric המתקדמים. טעינה ללא adiabatic של SMA במגע עם גוף הקירור יכולה להפחית את טמפרטורת SMA מקסימלית תוך כדי התהליך, דבר אשר מגביר את היעילות על ידי הקטנת הרוחב היסטרזיס. יתר על כן, טמפרטורות SMA מרביות נמוכות עלולות להגדיל את חייו חומר.

תוצאות הנציג המושגות על ידי אסדת המבחן המדעית הראו כי פלטפורמת הבדיקות מאפשרת לחקירה של סגסוגות שונות עם ממדים שונים וגורם טופס. החתך המרבי של דגימות מוגבל 1.8 מ"מ 2. המגבלה מבוסס על כוח רציפה מקסימלית של הנעה ישירה ליניארי של 1,200 נ infl ממדים מדגםלהשפעת השליטה בתהליך, ואילו שיעורי הזן שבו הדגימות להפוך adiabatically מושפעים בעיקר על ידי משטח יחס חתך. בנוסף, זמן המגע בין SMA ואת מקור חום / הכיור צריך להיות מותאם למידות המדגמות על מנת לייעל את יעילות ו / או כוח וקירור. משטח גדול יחס חתך מקטין את זמן המחזור ואת היחס ההפוך מוביל תהליכים איטיים. הבחירה של גודל המדגם, כמו גם את הגיאומטריה המדגמת, מגדירה את התדירות המבצעית של מכשיר קירור elastocaloric בעתיד ויש לו להיות מותאמים לדרישות היישום.

אופטימיזציה של תהליכי קירור elastocaloric נדרשה כדי להקים רומן לסביבת טכנולוגיית קירור ידידותי אשר יכולה להיות חלופה תחרותית לתהליך המבוסס דחיסת אדים הקונבנציונלי. התקנת המבחן המדעית שנועדה והתפתחות סגסוגות חדשות כגון NiTiCu 26 ו NiTiCUV הם צעדים ראשונים בפיתוח מכשיר קירור יעיל. למיטב הידיעה של המחברים, התקנה מדעית זו היא המערכת הראשונה המאפשרת חקירת מאפייני elastocaloric של SMA במהלך תהליכי קירור מבוסס מצב מוצק על ידי ניטור הטמפרטורה של SMA ואת מקור החום / הכיור במהלך כל שלבי התהליך . שינוי ישר קדימה של מקור חום / לכיור ואת ווי התלייה מאפשר לחקירה של העברת חום המוליך של SMA עם גורמי צורה אחרים כמו רשתות וצינורות. עם זאת, את מעטת הבדיקה המדעית פותחה מתוך נקודה-של-מבט מדעי, ומספקת את האפשרות של חקירות חומר תהליך מקיפות עבור אופטימיזציות תהליך וחומר במקום ביצועי מערכת גבוהה. צעדים נוספים נדרשים כדי להעביר את הממצאים שהושגו עם התקנת הבדיקה המדעית לעיצוב של מכשיר קירור elastocaloric. בהקשר זה, מפותח thermomechanically מצמיד מאודל תומכת בתהליך הפיתוח המדמה את תהליך הקירור ברמת המכשיר.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Acknowledgements

המחברים מבקשים להודות התמיכה של התכנית העדיפה DFG 1599 "תופעות קלורי בחומרי ferroic: מושגים חדשים עבור קירור" (פרויקטים: 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