Экспериментальные методы исследования формы памяти на основе процессов Охлаждение Elastocaloric и проверки достоверности моделей
Summary
Experimental methods for investigation of solid state cooling processes and characterization of elastocaloric material properties of Shape Memory Alloys (SMA) are presented. A custom-built test rig has been designed for controlling and comprehensive monitoring of elastocaloric cooling processes. Furthermore, it provides a validation platform for thermomechanically coupled modeling approaches.
Abstract
Shape Memory Alloys (SMA) с использованием elastocaloric процессов охлаждения имеют потенциал, чтобы быть экологически чистой альтернативой обычным процессом охлаждения на основе сжатия пара. Никель-титановые (Ni-Ti), системы на основе сплава, в частности, показывают большие elastocaloric эффекты. Кроме того, проявляют большой скрытой теплоты, которая является необходимым свойством материала для развития эффективного процесса охлаждения на основе твердотельного. Научный испытательный стенд был разработан, чтобы исследовать эти процессы и эффекты elastocaloric в СМА. Реализованный испытательный стенд обеспечивает независимое управление механической погрузки и разгрузки циклов SMA в не давал, а также проводящий теплообмен между охлаждающими элементами SMA и источника тепла / раковина. Испытательный стенд оснащен комплексной системой мониторинга, способной синхронизированных измерений механических и тепловых параметров. В дополнение к определению процесса зависящих от механической работы, система позволяет также проводились измереният тепловых калорийных аспектов elastocaloric охлаждающего эффекта за счет использования высокоэффективной инфракрасной камерой. Такое сочетание представляет особый интерес, так как она позволяет иллюстрации локализации и скорости эффектов – как имеющие важное значение для эффективной передачи тепла от среды для охлаждения.
Работа, представленная описывает экспериментальный метод для выявления elastocaloric свойств материала в различных материалов и образцов геометрии. Кроме того, испытательный стенд используется для исследования различных вариантов процесса охлаждения. Введенные методы анализа позволяют дифференцированно рассмотрение материала, процесса и связанных с граничным условием влияния на эффективность процесса. Сравнение экспериментальных данных с результатами моделирования (одного термомеханической связанной модели конечных элементов) позволяет лучше понять, лежащих в основе физики elastocaloric эффекта. Кроме того, экспериментальные результаты, а также выводы баСЭД по результатам моделирования, используются для улучшения свойств материала.
Introduction
Твердые процессы государственного охлаждения на основе ferroic материалов имеют потенциал, чтобы быть экологически чистой альтернативы традиционным процессом на основе сжатия паров. Ferroic материалы могут проявлять Магнитокалорические, Электрокалорический и elastocaloric эффекты 1, 2, а также комбинации этих эффектов, которые описаны как поведение multicaloric материала 3. Различные эффекты калорийность в ferroic материалов в настоящее время изучаются в рамках приоритетной программы немецкий научный фонд (DFG) SPP 1599 "калорические эффекты в Ferroic Материалы: новые концепции для охлаждения" 4. Shape Memory Alloys (SMA) , которые исследуются в рамках этой программы показывают большие elastocaloric эффекты, в частности , сплавов на основе Ni-Ti из – за их больших скрытых теплот 5. Деформационное фазовых превращений при высоких скоростях деформации приводит к значительным изменениям температурных SMA, как показано на рисунке 1.адиабатический, экзотермическая фазовое превращение из аустенита в мартенсит повышает температуру SMA. Эндотермическая преобразование из мартенсита в аустенит приводит к существенному снижению температуры. Эти elastocaloric свойства материала могут быть использованы для твердотельных процессов охлаждения путем применения подходящей механической погрузки и разгрузки цикл. На рисунке 2 показан типичный elastocaloric цикл охлаждения, в соответствии с циклом Брайтона. Передача тепла между источником тепла и холода, выгружаются SMA имеют место при низких уровнях температуры. На следующем этапе, СЗФ находится в состоянии бесконтактным и быстро, адиабатический нагрузка приводит к значительному повышению температуры на SMA. Последующая передача тепла между горячей SMA и радиатором имеют место при постоянном напряжении на SMA. После завершения передачи тепла, быстро, адиабатический разгрузка приводит к существенному снижению температуры ГМС ниже температуры источника тепла, в результате чего на следующий С охлажденияycle и передача тепла с источником тепла может начаться. Эффективность elastocaloric процесса охлаждения зависит от требуемой механической работы и поглотитель тепла.
Во- первых, эксперименты по мониторингу температурного поля во время испытаний на растяжение проводились Shaw и соавт. 6, 7, с целью исследовать образование локальных температурных пиков во время испытаний на растяжение SMA полос и проводов при различных скоростях. Применяется экспериментальный метод в сочетании измерения механических параметров (напряжения, деформации и скорости деформации) с одновременным приобретением температурных полей с помощью термографии измерений. Во время погрузки и разгрузки SMA образца с разрывной машины, инфракрасный (ИК) камера использовалась для получения ИК-изображений образца SMA. Эта методика позволяет исследование скорости деформации зависимого формирования температурных пиков. Измерение распределения температуры поОбразец очень важно для исследовании elastocaloric эффектов и определения охлаждающих свойств материала. Локальное измерение температуры – путем применения измерения температуры контактировани – не является достаточным для того, чтобы охарактеризовать охлаждающие свойства материала. Измерение температурного поля был также использован Кюи и др. 8 для изучения elastocaloric эффектов в Ni-Ti провода. Кроме того, Ossmer и др. 9, 10 показали , что термографические измерения температуры также пригодны для исследования elastocaloric эффектов в Ni-Ti на основе тонких пленок, которые требуют высокой частоты кадров ИК – камеры для исследования адиабатических фазовых превращений при высокой деформации ставки. Этот метод позволяет при исследовании elastocaloric величин и однородности температурного профиля, который оказывает существенное влияние на твердотельном на основе переноса тепла иэффективность elastocaloric процессов.
Эффективность охлаждения материала может быть определена путем расчета требуемой работы на основании измерений напряжения / деформации, а также тепла (которое может быть определено с учетом изменения температуры и теплоемкость материала). Тем не менее, экспериментальный метод не позволяет исследование elastocaloric материала при условии процесса. Это включает в себя передачу тепла между SMA и источником тепла, который оказывает существенное влияние на эффективность охлаждающего эффекта.
Материал характеристика условий процесса охлаждения и исследование elastocaloric процессов охлаждения требуют испытательного стенда, позволяющий твердотельный на основе теплопередачу, которые не могут быть исследованы с помощью любой существующей коммерческой системе. С этой целью, нового тестирования платформа была разработана. Испытательный стенд устанавливается на двух уровнях , как показано на рисунке 3. The uppeУровень R позволяет базовой характеристики elastocaloric материала и начальных процедур подготовки, аналогично описанному ранее методу (смотри рисунок 4). Установка оснащена линейным прямым приводом , способный погрузки и разгрузки SMA при скоростях деформации до 1 с -1 (см рисунок 5). Линейный прямой привод позволяет исследовать образцы с поперечным сечением до 1,8 мм 2, в то время как типичная длина образца составляет 90 мм. Преимущество линейного прямого привода является высокая скорость и высокое ускорение – в отличие от шариковых винтовых приводов, которые обычно используются для испытаний на растяжение. Кроме того, датчик нагрузки, а также интегрированная система измерения положения линейного привода, обеспечивает механические данные измерения. ИК-камера с высоким разрешением (1280 х 1024 пикселей) используется для измерения профиля температуры в SMA с до 400 Гц (в требуемом диапазоне температур). Использование микроскопа объектив с Рез15 способность по мкм / пиксель позволяет исследование локальных температурных эффектов. Нижний уровень испытательного стенда содержит механизм , который позволяет переменного кондуктивной теплопередачи между SMA и источником / радиатором тепла (см 6 и 7). Линейный прямой привод на нижнем уровне переключается между источником тепла к SMA и от SMA к радиатору, в то время пневматического цилиндра лифтами и снижает источник тепла / раковина (рисунок 8). Каждый привод может управляться независимо друг от друга позволяет для исследования различных вариаций процесса охлаждения. Комплексная система измерения позволяет проводить измерения механических параметров: положение привода, скорость привода, SMA силы нагрузки, контактное усилие между SMA и источником тепла / раковина во время передачи тепла, а также тепловых параметров (например, температура внутри / раковины, распределение температуры источника тепла на поверхности SMA и источника тепла / грехак). Более подробное описание научного тестирования платформы приведен в Schmidt и др. 11.
Рисунок 5. Схема верхнего уровня испытательного стенда Линейный прямой привод для погрузки и разгрузки образца SMA с интегрированной системой измерения положения. датчик нагрузки для измерения сил растяжения, а также ИК-камера с высоким разрешением (1280 х 1024 пикселей) для приобретения температурного профиля.
Рисунок 7. Схема нижнего уровня испытательной установки Линейное прямой привод для переключения между теплоотводом и источником тепла. пневматический цилиндр, чтобы установить контакт между образцом SMA и источника тепла / раковина; Датчики температуры были встроены в радиаторе / СОУRCE для измерения температуры сердцевины блоков. Клетка сжимающей нагрузки для измерения контактного усилия между SMA и источником тепла / раковина встроена в механизм переноса тепла и не видно в этой схеме.
Испытательный стенд позволяет проводить исследования различных составов сплавов и размеров выборки, а также геометрий (ленты, провода). Кроме того, установка позволяет комплексные исследования elastocaloric материалов и процессов охлаждения. Описанные выше эксперименты могут быть выполнены и исполнение будет описан шаг за шагом в разделе протокола этой рукописи.
Материал стабилизации:
Стабильное поведение материала имеет важное значение для использования elastocaloric материалов в системах охлаждения. С этой целью применяется механическая процедура стабилизации. Во время этой процедуры материал проходит механическую нагрузку и разгрузку циклов и выполняет фазупревращение аустенита в мартенсит. Стабилизация материала показывает сильную зависимость скорости. Высокие скорость нагрузки приводят к изменению температуры материала, что обусловлено выделением скрытой теплоты фазового превращения. Это изменение температуры имеет аналогичное влияние на стабилизацию материала, как это делают механические циклы обучения при различных температурах 12-15. В дополнение к хорошо известной механической 13 и калорийности 16 стабилизации, стабилизации термического материала можно наблюдать с разработанной установки путем применения термографии 17.
Характеристика материалов:
После первоначальной механической процедуры обучения, материал показывает стабильную механическую, термическую и калорийность поведение, разрешающее elastocaloric свойства материала, чтобы охарактеризовать. Таким образом, механическая работа при различных скоростях выполняется в то время как, в отличие от процедуры подготовки кадров, elastocaloric характеристика включает удерживающий фазу после погрузки и разгрузки. На время фазы удержания напряжение SMA поддерживается постоянным, пока уровень окружающего температура снова не будет достигнута. Этот тип эксперимента необходим для того, чтобы определить самую низкую температуру достижимую после разгрузки, начиная от температуры окружающей среды уровней температуры, а также эффективность использования материалов. Скорость зависит формирование локальных температурных пиков можно наблюдать, с более высокими показателями, ведущие к все более и более равномерному распределению температуры. Кроме того, за счет увеличения скорости деформации изменение температуры в равной степени возрастает до адиабатических условий не достигаются. Материалом эффективность может быть определена путем расчета необходимой механической работы, основанной на сила-перемещение диаграммы адиабатического эксперимента, а также поглощаемого тепла, основываясь на среднем изменении температуры материала во время разгрузки и теплоемкость образца ,
Elastocaloric процесс охлаждения:
Исследование эффективность охлаждения СМА в условиях процесса требует теплопередачи между средой SMA охлаждения и источника тепла, а также в качестве теплоотвода. Для этой цели СЗФ находится в контакте с источником твердофазного тепла (после адиабатического разгрузки) и теплоотводом (после адиабатического нагрузки). Эффективность процесса сильно зависит от управления процессом и тепловых граничных условий. Всестороннее исследование процесса охлаждения требует изменения параметров управления для того, чтобы определить наиболее эффективный контроль над процессом. Индивидуальное влияние параметров (время контакта, напряжение SMA, SMA скорости деформации, контактная фаза (контакт во время погрузки / разгрузки фазы или ниже) и контактной силы) на производительность процесса должна быть исследована. Кроме того, влияние изменяющейся тепловой граничного условия за счет увеличения числа циклов охлаждения долженбыть приняты во внимание.
Модель проверки:
Разработка термомеханической связанной модели материала, способного воспроизводить механическую и термическую поведение материала во время цикла охлаждения, имеет решающее значение для развития новой технологии охлаждения. Модель учитывает материала и оптимизации процесса путем сокращения экспериментальных и материальных усилий в области развития. Проверка требует первоначального изотермического испытания на растяжение стабилизированного материала для создания необходимого ввода данных о механических материальных (модуль упругости аустенита и мартенсита фазы, ширина механического гистерезиса, а также напряжение трансформации). Проверка достоверности модели происходит на основе испытаний на растяжение при различных скоростях. Необходимые калорийность входные данные для модели могут быть определены с помощью дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) после механических экспериментов. Измерения DSC должны быть выполнены афтер механического испытания для того, чтобы измерить калорийности свойства материала стабилизированного образца.
Protocol
Representative Results
Discussion
Представленный научный испытательный стенд позволяет комплексное исследование elastocaloric материалов и процессов охлаждения при проведении экспериментов, описанных в разделе протокола. Точное выравнивание образца до зажима имеет решающее значение для всех экспериментов. Плохое выравн…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Авторы хотели бы отметить поддержку приоритетной программы DFG 1599 "калорические эффекты в ferroic материалов: новые концепции для охлаждения" (проекты: EG101 / 23-1, SCHU2217 / 2-1, SE704 / 2-1, EG101 / 29 -2, SCH2217 / 3-2, SE704 / 2-2).
Materials
| 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 | 1280×1024 pixels; Maximum frame rate 3200 Hz |
| Real-Time Controller | National Instruments | NI CompactRIO-9074 | Data acquisiton and control system |
| Camera varnish | Tetenal | 105202 |
References
- 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).
- Moya, X., Defay, E., Heine, V., Mathur, N. D. Too cool to work. Nat. Phys. 11 (3), 202-205 (2015).
- 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).
- Moya, X., Kar-Narayan, S., Mathur, N. D. Caloric materials near ferroic phase transitions. Nat. Mater. 13 (5), 439-450 (2014).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Schmidt, M., Ullrich, J., et al. Thermal Stabilization of NiTiCuV Shape Memory Alloys: Observations During Elastocaloric Training. Shape Mem. Superelasticity. , (2015).
- Höhne, G., Hemminger, W., Flammersheim, H. -. J. . Differential Scanning Calorimetry. , (2003).
- 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).
- 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).
- Shaw, J., Kyriakides, S. Thermomechanical aspects of NiTi. J. Mech. Phys. Solids. 43 (8), 1243-1281 (1995).
- Schmidt, M., Schütze, A., Seelecke, S. Cooling Efficiencies of a NiTi-Based Cooling Process. , (2013).
- Achenbach, M., Müller, I. A MODEL FOR SHAPE MEMORY. . Le J. Phys. Colloq. 43 (C4), 163-167 (1982).
- Müller, I., Seelecke, S. Thermodynamic aspects of shape memory alloys. Math. Comput. Model. 34 (12-13), 1307-1355 (2001).
- Ullrich, J., Schmidt, M., et al. Experimental Investigation and Numerical Simulation of the Mechanical and Thermal Behavior of a Superelastic Shape Memory Alloy Beam During Bending. , (2014).
- 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).
