Shape memory alloy (SMA) exhibiting a stress-induced martensitic transformation (MT) is the most suitable material for the elastocaloric effect which was employed in the new refrigeration system. Compared with the SMA exhibiting a typical first-order MT, the Fe-Pd SMA exhibiting a weak first-order MT shows an elastocaloric effect with wide working temperature window (~160 K), high efficiency (~98%) and stable temperature change (the temperature attenuation is less than 0.2 K after 1000 times loading/unloading processes). Based on the previous study, this research will focus on: (1) the micro thermodynamics mechanism of elastocaloric effect in Fe-Pd SMA (the origin of the elastocaloric effect), in other words, the contribution of each factors to the elastocaloric effect; (2) the micro crystallography under the stress filed in the Fe-Pd single crystals with different crystal orientations, and the anisotropy of elastocaloric effect; (3) the influence of dislocation and domain boundary on the elastocaloric effect in Fe-Pd SMA. The purpose of this project is to perfect the micro mechanism of elastocaloric effect in the Fe-Pd SMA exhibiting a weak first-order MT, and to lay the groundwork for design and application of the new elastocaloric materials.
基于应力诱发马氏体相变的形状记忆合金(SMA)是呈现降温制冷弹热效应的首选材料。相比呈典型一级相变的SMA,具有弱一级马氏体相变的Fe-Pd SMA ([001]晶轴取向)呈现出宽温域(~160 K)、高能效(~98%)、温变稳定(1000次加卸载后温变衰减小于0.2 K)的特点。基于前期工作,本项目将研究:(1)Fe-Pd SMA弹热效应的热力学微观机制(本质起源),即各因素对弹热效应的定量贡献;(2)不同晶轴取向Fe-Pd单晶应力场下的微观晶体学,及弹热效应的各向异性;(3)位错与畴界对Fe-Pd单晶弹热效应的影响规律。以上研究旨在揭示具有弱一级马氏体相变Fe-Pd SMA弹热效应的机制,为新型弹热制冷材料的开发利用奠定理论基础。
本项目对具有弱一级马氏体相变的Fe-Pd SMA的弹热效应进行了深入研究,结果表明:(1)Fe-Pd SMA弹热效应的绝大部分贡献(约70%)来源于弹性变形(杨氏模量随温度的急剧变化),部分(约30%)来源于相变潜热。(2)Fe-Pd SMA弹热效应在[001]方向获得最大值,[111]方向最次之,且压缩所致弹热效应明显高于拉伸所致。其原因归咎于Fe-Pd SMA较大的弹性各向异性值(约4-10)。(3)Fe-Pd SMA在高周期疲劳实验中呈现出优异的力学性能,尤其是在[001]方向的压缩测试,且整体变形过程为均匀连续变化。其原因主要归咎于Fe-Pd SMA的马氏体变体呈现沿压缩方向的连续晶格变化,该过程类似弹性变形。(4)发现了两种异常的弹热效应,即反弹热效应与马氏体状态下的弹热效应,这两种特殊的弹热效应都与材料中特定的内应力场有紧密联系。综上所述结果,Fe-Pd SMA具有优异的疲劳性能且温度变化均匀,但其温度变化幅度相对较小。通过引入特定内应力场可以实现异常的弹热效应。相关研究丰富了弹热效应理论并为今后的实际应用奠定了基础。项目资助发表SCI论文13篇(第一作者7篇,通讯作者5篇)。正在培养博士3名,硕士1名,完成本科毕设2人次。项目投入经费21万元,支出20.9745万元,各项支出基本与预算相符。
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数据更新时间:2023-05-31
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