科研人員利用新穎凝固技術製備具有彈熱效應的形狀記憶合金

相比於傳統氣體壓縮製冷，固態製冷以其在節約能源與保護環境方面的獨特優勢成為最近十幾年來的研究熱點。基於可逆馬氏體相變材料在外加力的激勵作用下的彈熱效應製冷非常具有應用潛力。彈熱效應的溫變大小、臨界應力、相變滯後、疲勞特性等關鍵性能指標，不僅依賴於相變熵和化學鍵強度等材料內秉屬性，也與材料的微觀缺陷和組織結構緊密相關。因此有效調控微觀組織是發揮材料彈熱性能的關鍵，而對金屬功能材料的非平衡凝固相選擇和晶體學取向控制是一種獨特的材料製備加工方法，有望改善常規方法獲得的彈熱性能。

近年來，中國科學院寧波材料技術與工程研究所新型磁相變材料團隊報道了數十種材料的彈熱效應，並系統研究了受控凝固對彈熱製冷材料的性能影響。最近，作為一種新型變磁性形狀記憶合金Pd-In-Fe單晶理論上能夠得到15%的拉伸馬氏體相變應變，具有巨大的彈熱潛力。團隊用直接熔煉成型和退火的方法製備了Pd-In-Fe多晶合金，首次測量了Pd-In-Fe合金的彈熱效應，發現Pd59.3In23.2Fe17.5在80MPa的臨界應力觸發下得到5.4K的絕熱溫變，成果發表在Intermetallics上（2018, v100, p27）。接下來，團隊用循環過熱與熔融玻璃複合的深過冷凝固技術製備Pd-In-Fe合金並研究了超彈性和彈熱效應。該凝固技術通過熔融玻璃消除熔體中的雜質，使得合金在遠低於液相線溫度以下的溫度形核凝固，避免了鑄態合金的偏析凝固過程，直接獲得了成分均勻的馬氏體相，同時由於深過冷過程引入大量內引力，在361K獲得了獨特的線性超彈性。線性超彈性的滯後損失與同等應變數的Pd-In-Fe退火樣品的非線性超彈性相比減小了75%。該深過冷合金在154MPa單軸應力作用下獲得3K的絕熱溫變。這種獨特的具有小滯後損失的線性超彈性有利於系統設計的緊湊性和小型化，相關工作發表於Scripta Materialia（2019, v160, p58），並申請了專利（201811164007.1）。

此外，團隊通過液態金屬冷卻高溫度梯度定向凝固的方法製備了取向與偏離該晶向的NiMnSn大晶粒樣品，構建出在同等載入條件下研究彈熱溫變和局域應變的晶粒取向依賴性的實驗條件。引進結合紅外熱成像與數字圖像關聯技術，實現了在彈熱測試過程中的溫度和應變的面分布的實時監控，發現應變分布和溫變分布具有明顯的晶向依賴性，並且觀察到了局域溫變落後於應變的不同步現象。該工作對於深入理解應力誘發的相變機理和挖掘材料最優彈熱性能有重要指導意義，相關成果發表於Scripta Materialia（2019, v163, p14）。

深過冷凝固Pd-In-Fe合金的線性超彈性（左）和定向凝固NiMnSn合金的紅外熱成像圖與局域應變圖（右）

來源：中國科學院寧波材料技術與工程研究所

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