北京時間11月29日，《科學(xué)》在線發(fā)表了西安交通大學(xué)能動學(xué)院錢蘇昕副教授與美國馬里蘭大學(xué)材料科學(xué)工程系等合作論文“增材制造的抗疲勞高性能彈熱制冷材料”。
彈熱制冷是利用鎳鈦形狀記憶合金在軸向拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)作用下發(fā)生可逆相變，并利用該相變潛熱制冷的新型固態(tài)制冷技術(shù)。與傳統(tǒng)蒸氣壓縮制冷工質(zhì)相比，鎳鈦形狀記憶合金等彈熱制冷工質(zhì)無任何溫室氣體效應(yīng)，具有環(huán)保的優(yōu)勢。除此之外，彈熱效應(yīng)能量密度顯著，在2014年美國能源部評估的17項非蒸氣壓縮制冷技術(shù)排名居首。目前，彈熱工質(zhì)的疲勞壽命是制約其工程應(yīng)用的首要因素，而且彈熱工質(zhì)、彈熱制冷機的效率仍有待提高。
為此，馬里蘭大學(xué)、阿姆斯實驗室、科羅拉多礦業(yè)大學(xué)、西安交通大學(xué)、愛荷華州立大學(xué)合作，聚焦提升效率和疲勞壽命這兩個關(guān)鍵問題，使用粉末激光定向能量沉積技術(shù)，制備了具有納米復(fù)合結(jié)構(gòu)的鎳鈦合金材料，可直接成型柱狀、管狀、蜂窩狀等可用于彈熱制冷回熱器的結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)熔鑄工藝形狀記憶合金不同，實驗發(fā)現(xiàn)了增材制造的鎳鈦合金具有準線性應(yīng)力—應(yīng)變響應(yīng)、與加載速率無關(guān)的回滯特性以及顯著降低的相變回滯。先進的原位加載同步X射線衍射和電鏡表征表明低相變回滯特性的成因在于納米尺度Ni3Ti和NiTi晶界產(chǎn)生的界面錯位可以成為相變過程的成核點，有效降低相變過程需要克服的勢壘，并減小相界面的摩擦損耗。上述特性可以改善疲勞壽命，使得彈熱效應(yīng)在百萬次加卸載循環(huán)后仍無明顯變化。