Science：抗疲勞、高性能材料在固態製冷技術優化中的潛力
上個月，一項發表於Science的研究發現，增材製造應力製冷材料可以實現對具有長壽命、高性能的金屬製冷劑進行獨特的微觀結構控制。抗疲勞、高性能鎳鈦合金的獲得展示了增材製造在優化固態製冷技術的潛力。
撰文侯慧龍（論文第一作者，北京航空航天大學副教授）
空調和製冷每年消耗全世界約五分之一的電力資源。更高效、更環保的製冷技術在最近十幾年發展迅速(Science 311, 1270-1271 (2006); Nature Materials, 13, 439-450 (2014); Science 355, 1062-1066 (2017); Nature 567, 506-510 (2019))。固態製冷技術（包含磁熱製冷、機械熱製冷和電熱製冷及其他）近年來引起關注。
應力製冷（或稱彈熱製冷，是機械熱製冷的形式之一）是通過外應力場的施加和移除可逆地改變材料的晶體結構對稱性以引起材料放熱和吸熱。應力製冷技術在 2012 年發明於美國馬里蘭大學，因其巨大的潛熱效能，在 2014 年美國能源部統計的取代蒸氣壓縮式製冷的 17 種可選技術中居首。同時，應力製冷樣機和應力蓄熱熱泵也在不斷開發，以期接近實際應用。然而，應力製冷材料的熱力滯後會約束製冷系統的效率，並且其對製冷性能的長期穩定性影響尚未得到解決。
增材製造鎳鈦合金能夠製造出高效熱力學性能、超窄滯後的應力製冷材料。通過精巧設計的「工藝-微結構-屬性-性能」策略，利用粉末激光定向能量沉積技術中的局部熔融和快速冷卻的特點，調節元素粉末的比例達到近共熔成分混合，實現在二元合金基體中鑲嵌富鎳的金屬間化合物的納米複合微結構。所獲得的應力製冷材料在準線性應力-應變行為中展現出極小的應力滯後，相比於通常的情況其材料效率提高了 4 到 7 倍，並且在一百萬次循環中擁有可重複的應力製冷性能。
圖一：A. 粉末激光定向能量沉積技術示意圖；B. 鎳鈦合金相圖；C-H. 作為範例展示，獲得了柱狀、管狀和蜂窩狀結構；F. 等溫載入時各材料行為的對比；G. 絕熱載入時各材料行為的對比；H. 各材料的滯後特性和效率的對比。
先進的原位載入同步 X 射線衍射表徵手段輔以微觀力學模型揭示了二元合金基體和富鎳金屬間化合物的相互作用機制。基於實驗觀測創建了應力製冷材料輸入能量耗散率與功能失效循環之間的唯象相關性，並且初步的實驗統計顯示該相關性可普適於固態製冷材料，首創性地為長壽命材料的製造、選取和工程設計提供科學依據，對構築高效、穩定的固態製冷技術具有重要的科學與技術意義。
圖為增材製造抗疲勞、高性能應力製冷材料的示意圖。（右上）粉末送料機用以提供元素粉末並加以混合，形成近共熔成分；激光在聚焦時提供能量；（中間）混合的元素粉末在激光的作用下熔融，形成局部熔池；隨著局部熔池的不間斷移動，構件的不同部位依次形成；（背景）作為範例展示，蜂窩狀構件的形狀和高度依次形成。
該工作得到了美國能源部高級能源研究計劃署、美國能源部先進位造辦公室、美國能源部科學辦公室、美國國家科學基金會等的資助。後續即將開展的研究工作將立足於北京航空航天大學，服務於國家在航空航天飛行器特種製冷技術的重大需求，結合航空科學與工程學院特色專業（包括飛行器結構強度和人機與環境工程），並與材料科學與工程學院、機械工程及自動化學院以及國內外相關單位合作進行。
論文信息
【標題】Fatigue-resistant high-performance elastocaloric materials made by additive manufacturing
【時間】 Nov 29, 2019
【期刊】Science
【作者】Huilong Hou, Emrah Simsek, Tao Ma, Nathan S. Johnson, Suxin Qian, Cheikh Cissé, Drew Stasak, Naila Al Hasan, Lin Zhou, Yunho Hwang, Reinhard Radermacher, Valery I. Levitas, Matthew J. Kramer, Mohsen Asle Zaeem, Aaron P. Stebner, Ryan T. Ott, Jun Cui, Ichiro Takeuchi*
【DOI】10.1126/science.aax7616
【摘要】Elastocaloric cooling, a solid-state cooling technology, exploits the latent heat released and absorbed by stress-induced phase transformations. Hysteresis associated with transformation, however, is detrimental to efficient energy conversion and functional durability. We have created thermodynamically efficient, low-hysteresis elastocaloric cooling materials by means of additive manufacturing of nickel-titanium. The use of a localized molten environment and near-eutectic mixing of elemental powders has led to the formation of nanocomposite microstructures composed of a nickel-rich intermetallic compound interspersed among a binary alloy matrix. The microstructure allowed extremely small hysteresis in quasi-linear stress-strain behaviors—enhancing the materials efficiency by a factor of four to seven—and repeatable elastocaloric performance over 1 million cycles. Implementing additive manufacturing to elastocaloric cooling materials enables distinct microstructure control of high-performance metallic refrigerants with long fatigue life.
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