基于形状记忆效应的弹热制冷过程研究的实验方法及模型验证

本实验的总体目标是研究弹热材料及弹热冷却过程。为此，已开发出一套科学测试装置，用于开展基础材料表征和先进的弹热过程控制。本方法描述了材料特性与过程控制对冷却过程制冷功率和效率的影响。

这些发现有助于开发优化的弹热制冷过程，这是设计高效制冷装置的基础。在快速绝热加载过程中，形状记忆合金的潜热会导致加载时温度升高，随后在卸载时温度降低。该弹热制冷过程的研究是由德国波鸿鲁尔大学的材料科学团队与德国萨尔布吕肯萨尔兰大学的两个机电工程团队合作开展的。

该研究涉及材料和工艺的优化，以及模拟工具的开发。所研制的科学试验装置可用于研究形状记忆合金与热源之间、以及形状记忆合金与散热器之间的固态传热过程中的弹热效应。该技术的主要优势在于能够独立考察各个控制参数对功和热量等过程变量的影响。

此外，该系统配备了一整套用于测量每个工艺步骤中机械量和终端量的综合装置。首先，使用卡尺测量形状记忆合金带材的尺寸，确定样品的横截面。然后，将样品涂覆一层高发射率的薄层。

接下来，将电机控制器程序中的目标位置设为零微米，并点击操作启用按钮。在此位置，夹具之间的距离为90毫米。将样品放置在实验装置的夹具之间，并使用专门设计的对准工具对样品进行对准。

然后，使用安装辅助工具拧紧夹具，并使用扭矩扳手将螺钉拧紧至20牛·米的力矩。Semper的对准非常关键，Semper上的皮带轮在仅几个循环后就会失效。

启动红外相机软件，并加载50毫米镜头与近摄镜组合的校准参数。选择图像尺寸为1,280 × 100像素，温度范围为-20至50摄氏度，然后使用电机对焦装置调整相机位置。打开用于训练和材料表征的控制程序。

接下来，将起始位置设为0微米，并选择目标位置为4,500微米，以使材料发生完全的相变。将直线直接驱动速度设为45微米每秒，相当于应变速率为5×10⁻⁴每秒。然后，将保压时间设为0秒，循环次数设为1次，红外相机采集速率为每帧50毫秒，最后点击开始按钮以加载设置。

现在，打开红外相机软件，选择一个文件名，并设置采集 5,000 帧。将触发源从内部切换为外部，然后启动数据采集模式。接着，打开控制程序并按下“开始实验”按钮以运行实验。

为了开始对材料进行表征，首先打开用于训练和材料测试的控制程序。然后设置起始位置，使样品初始时处于无负载状态，并将目标位置设定为训练的目标位置，即 4,500 微米。接下来，根据需要设置应变率，并选择 9,000 微米每秒的线性直接驱动速度，这将导致横截面积为 0.75 毫米 × 1.4 毫米或更大的样品发生绝热相变。

将保持时间设置为180秒，以确保样品在实验开始前有足够时间达到所需的初始温度。然后，将循环次数设置为1次，红外相机采集速率为每帧5毫秒，并点击开始按钮以加载设置。接下来，打开红外相机软件，选择文件名，并为实验分配80,000帧。

从内部触发源切换到外部触发源，并启动数据采集模式。在控制程序中，按下“开始实验”按钮以启动实验。为了研究局部温度峰值，首先关闭光源。

然后，将所有热源移出红外相机的视野，并更换为显微镜头。接着，调整相机的校准设置，加载显微镜头，并在20至50摄氏度范围内校准图像尺寸为500乘以250像素。使用电机调焦装置对样品进行聚焦。

然后，按照之前所述方法，以900微米每秒的线性直接驱动速度进行标准拉伸试验。保持样品位置不变，启动红外相机软件，并加载50毫米镜头配合近摄镜的校准参数。选择图像尺寸为1,280 × 1,024像素，温度范围为-20至50摄氏度。

打开控制程序并设置控制参数。设置形状记忆合金直线直接驱动器的起始位置，使样品处于无负载状态。同时，设置与训练目标位置相对应的目标位置。

将线性直驱装置在加载和卸载形状记忆合金时的速度设置为 9,000 微米每秒。然后，将装置下层线性直驱的速度设置为 100 毫米每秒。接下来，将接触时间设置为 6 秒。

在加载和卸载模式下选择接触，并将循环次数设置为40。选择红外相机的采集速率为每帧20毫秒，然后单击开始按钮以加载设置。在红外相机软件中，选择一个文件名，并为实验分配50,000帧。

将触发源从内部切换为外部，并启动数据采集模式。最后，打开控制程序并按下开始实验按钮。这将启动弹热制冷循环。

在此视频片段中，一条镍钛合金带材在训练过程中受到应变。受控拉伸导致平均温度升高了12.2开尔文。该材料表现出典型的滞后曲线，并最终稳定为如红色曲线所示的响应状态。

此处显示的是镍钛铜钒合金带材，其滞后宽度随应变率的增加而增大。这是相变过程中温度变化的结果。图中表明，超过某一临界点后，温度变化不再随应变率的增加而进一步增大。

该红外视频显示，随着冷却循环次数的增加，散热片与热源之间的温差增大，导致材料的最低温度和最高温度变化逐渐减小。在第一次循环后，由于散热片和热源并未与整个条带完全接触，因而产生不均匀的温度分布。此处可看到拉伸试验的实验结果与模拟结果的对比。

该模拟的基础模型是对热力耦合的Mueller Achenbach Selleck模型的改进。这表明该模型能够再现材料的力学行为以及热学行为。因此，在进行该操作步骤时，重要的是要记住设计要求包括监控所有冷却步骤，以及对变化参数进行直接控制。

热封装将提高该过程的效率，但可观测性会显著降低。在后续实际设备的开发中，当然需要将其考虑在内。通过该方法，除绝热过程控制外，还可实施其他工艺变体，例如非绝热与绝热结合的过程，以回答更多问题，如接触相位对过程效率和制冷功率的影响。

观看本视频后，您应对弹热制冷效应有充分的理解，并了解材料优化和过程控制如何影响该制冷过程的制冷功率和效率。