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西安交大合作研究成果在《科学》刊发
发布时间:2019-11-29 18:11:43 点击量:

北京时间2019年11月29日,美国《科学》杂志在线发表了新澳门萄京娱乐场官网能动学院钱苏昕副教授的合作论文“Fatigue-resistant high-performance elastocaloric materials made by additive manufacturing(增材制造的抗疲劳高性能弹热制冷材料)”。该工作马里兰大学材料科学工程系为第一和通讯单位,新澳门萄京娱乐场官网制冷与低温工程系为第四单位。制冷与低温工程系钱苏昕副教授为论文第五作者,论文第一作者为侯慧龙博士,论文通讯作者为竹内一郎教授。

弹热制冷是利用镍钛形状记忆合金在轴向拉伸、压缩、扭转作用下发生可逆相变,并利用该相变潜热制冷的新型固态制冷技术。与传统蒸气压缩制冷工质相比,镍钛形状记忆合金等弹热制冷工质无任何温室气体效应,具有环保的优势。除此之外,弹热效应能量密度显著,在2014年美国能源部评估的17项非蒸气压缩制冷技术排名居首。目前,弹热工质的疲劳寿命是制约其工程应用的首要因素,且弹热工质、弹热制冷机的效率仍有待提高。

   

   

图一:A. 粉末激光定向能量沉积技术示意图;B. 镍钛合金相图;C-H. 作为范例展示,获得了柱状、管状和蜂窝状结构;F. 等温加载时各材料行为的对比;G. 绝热加载时各材料行为的对比;H. 各材料的滞后特性和效率的对比。

聚焦提升效率和疲劳寿命这两个关键问题,马里兰大学、阿姆斯实验室、科罗拉多矿业大学、新澳门萄京娱乐场官网、爱荷华州立大学合作,使用粉末激光定向能量沉积技术,制备了具有纳米复合结构的镍钛合金材料,可直接成型柱状、管、蜂窝等可用于弹热制冷回热器的结构。与传统熔铸工艺形状记忆合金不同,实验发现了增材制造的镍钛合金具有准线性应力-应变响应、与加载速率无关的回滞特性以及显著降低的相变回滞。先进的原位加载同步X射线衍射和电镜表征表明低相变回滞特性的成因在于纳米尺度Ni3Ti和NiTi晶界产生的界面错位可以成为相变过程的成核点,有效降低相变过程需要克服的势垒,并减小相界面的摩擦损耗。上述特性可以改善疲劳寿命,使得弹热效应在百万次加卸载循环后仍无明显变化。

新澳门萄京娱乐场官网制冷与低温工程系就增材制造镍钛合金的热力学特性及其在弹热制冷器件中的应用开展了理论分析研究。增材制造镍钛合金与加载速率无关的回滞特性使得其可以有效利用基于绝热相变的布雷顿回热制冷循环,无需以牺牲运行频率和制冷功率为代价运行基于等温相变的斯特林循环。同时,准线性应力-应变特性提高了弹热制冷机中卸载功回收设计的重要性。考虑到现有弹热制冷器件中卸载功回收技术已经成熟,在认为卸载功可完全回收的情况下,以GB/T7725空调标准工况为例,增材制造镍钛合金样品的热力完善度达60%,接近传统熔铸镍钛合金材料热力完善度的4倍。

钱苏昕副教授现从事弹热、磁热制冷器件研究,在弹热制冷方向主持国家自然科学基金2项,参与国际能源署Annex53国际合作项目,兼任国际制冷学会B1专委会青年委员,并多次在国内外重要学术会议做特邀报告。

文章信息: Huilong Hou, Emrah Simsek, Tao Ma, Nathan S. Johnson, Suxin Qian,, et al. Fatigue-resistant high-performance elastocaloric materials made by additive manufacturing. Science 366, 1116-1121 (2019).

文章链接: https://science.sciencemag.org/content/366/6469/1116
DOI: 10.1126/science.aax7616

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