Hợp kim bộ nhớ hình dạng đồng-nhôm-kẽm bền mới lạ để làm lạnh tiết kiệm năng lượng

Hợp kim bộ nhớ hình dạng đồng-nhôm-kẽm bền mới lạ để làm lạnh tiết kiệm năng lượng

    Hiệu ứng nhiệt lượng đàn hồi là hiện tượng vật liệu thể hiện sự thay đổi nhiệt độ khi tiếp xúc với ứng suất cơ học. Sự thay đổi nhiệt độ xảy ra do sự chênh lệch entropy do sự biến đổi martensitic kèm theo sự thay đổi cấu trúc tinh thể của vật liệu dưới ứng suất.

    Hợp kim bộ nhớ hình dạng đồng-nhôm-kẽm bền mới lạ để làm lạnh tiết kiệm năng lượng

    Một hiệu ứng tương tự được quan sát thấy khi dây cao su bị kéo căng: các chuỗi polyme của nó sắp xếp theo thứ tự, làm cho entropy của nó giảm. Điều này dẫn đến việc dây cao su thải nhiệt ra môi trường xung quanh và trở nên ấm hơn. Khi dây cao su được thả ra, điều ngược lại xảy ra và dây cao su nguội đi.

    Giống như dây cao su, hợp kim nhớ hình dạng siêu đàn hồi kim loại (SMAs) cũng có thể sử dụng hiệu ứng nhiệt lượng đàn hồi để làm mát. SMA dựa trên đồng (Cu) bao gồm Cu, nhôm (Al) và kẽm (Zn) đặc biệt hứa hẹn do chi phí thấp và nhu cầu ứng suất vừa phải để kích hoạt sự tăng nhiệt độ. Tuy nhiên, SMA Cu-Al-Zn gặp phải các vấn đề mỏi theo chu kỳ vì các hạt tinh thể thô và nhiều ranh giới hạt của chúng dễ bị gãy do giãn nở và co lại nhiều lần.

    Giờ đây, trong một nghiên cứu được công bố trên Tạp chí Vật lý: Năng lượng , Giáo sư Kenjiro Fujimoto từ Đại học Khoa học Tokyo, Giáo sư Ichiro Takeuchi từ Đại học Maryland, cùng với các nhà nghiên cứu từ Công nghệ Cảm biến & Năng lượng Maryland, đã phát triển một Cu-Zn có độ bền cao. -Al SMA có khả năng chịu được số lượng tải theo chu kỳ cao. “Chúng tôi đã tìm kiếm các điều kiện để thúc đẩy sự phát triển của hạt hợp kim 68Cu-16Al-16Zn nhằm cải thiện các đặc tính nhiệt lượng đàn hồi của nó,” Giáo sư Fujimoto giải thích động lực đằng sau nghiên cứu của họ.

    Gần đây, họ đã báo cáo rằng các hợp kim Cu-Al-Mn phải được gia nhiệt và làm mát lặp đi lặp lại qua các pha hỗn hợp và nhiệt độ cao làm tăng kích thước hạt của vật liệu. Bị hấp dẫn bởi những phát hiện này, nhóm đã quyết định điều tra xem liệu các chuyển đổi pha tương tự có thể nâng cao tính chất của hợp kim Cu-Zn-Al hay không.

    Để điều chế các hợp kim Cu-Al-Zn, các nhà nghiên cứu đã kết hợp Cu, Al và Zn trong một nồi nấu kim loại cacbon. Họ nấu chảy các kim loại ở áp suất thấp để ngăn chặn sự bay hơi của kẽm. Sau khi hợp kim được chuẩn bị xong, các nhà nghiên cứu đã làm nguội và cán nó thành các thỏi dày 7 mm ở ba tốc độ cán khác nhau (lần lượt là 0%, 67% và 83%). Nhiệt độ ranh giới pha của hợp kim sau đó được xác định bằng cách sử dụng nhiễu xạ tia X nhiệt độ cao, cho thấy rằng ranh giới pha giữa pha hỗn hợp và pha nhiệt độ cao xảy ra trong khoảng từ 700°C đến 750°C. Dựa trên điều này, các nhà nghiên cứu đã liên tục nung nóng và làm mát hợp kim trong khoảng từ 500°C đến 900°C.

    Tất cả các thỏi trải qua chu kỳ xử lý nhiệt đều cho thấy sự gia tăng kích thước hạt tinh thể, với mức tăng tối đa được quan sát thấy ở các hợp kim được cán với tỷ lệ 67%. Kích thước hạt của thỏi nguyên sơ là 2,21 mm, nhưng kích thước hạt trung bình của thỏi được xử lý nhiệt trong nhóm này tăng lên 11,1 mm.

    Giáo sư Fujimoto cho biết: “Kết quả chỉ ra rằng xử lý nhiệt qua ranh giới pha tuần hoàn, ngoài tỷ lệ cán 67 %, có hiệu quả đối với sự phát triển của hạt giống như tinh thể đơn lẻ”. Với các hạt lớn hơn và ít ranh giới hạt hơn, hợp kim được xử lý nhiệt có khả năng chống đứt gãy cao hơn nhiều và có thể chịu được hơn 60.000 chu kỳ cơ học ở mức biến dạng 2%.

    Quá trình xử lý nhiệt cũng dẫn đến những cải tiến đáng kể về tính chất nhiệt lượng đàn hồi của hợp kim Cu-Zn-Al. So với các hợp kim có cùng thành phần được báo cáo trước đây, hợp kim được xử lý nhiệt cho thấy nhiệt ẩn là 6,3 J/g khi giải phóng biến dạng, cao hơn gấp đôi giá trị đo được trước đó là 2,3 J/g. Điều này chỉ ra rằng hợp kim được xử lý nhiệt có thể làm mát hiệu quả hơn. Ngoài ra, hợp kim thể hiện chênh lệch nhiệt độ đáng tin cậy lần lượt là +5,9 K và -5,6 K khi tải và dỡ tải, ở tải tuần hoàn thấp (106 MPa).

    Trong khi tủ lạnh dây cao su chưa trở thành xu hướng chủ đạo, hiệu ứng nhiệt lượng đàn hồi có khả năng cung cấp các giải pháp làm mát sáng tạo. Do đó, việc phát triển các vật liệu có thể đạt được mục đích này là rất quan trọng. Về vấn đề này, hợp kim Cu-Zn-Al được xử lý nhiệt thể hiện các đặc tính đầy hứa hẹn và có thể mở đường cho các hệ thống làm mát hiệu quả và tiết kiệm chi phí.

    Zalo
    Hotline