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清华大学摩擦学国家重点实验室方刚课题组 在固态制冷材料的研究取得新突破

近日,清华大学摩擦学国家重点实验室方刚课题组在固态制冷材料的研究取得重要进展。他们提出一种全新策略制备出同时具备高强韧、高稳定性、低能耗及高能效的梯度结构镍钛形状记忆合金制冷材料。相关成果以《局部激光热处理制备梯度结构镍钛合金以提高其弹热制冷性能》(Improved elastocaloric cooling performance in gradient-structured NiTi alloy processed by localized laser surface annealing)为题,于2021年2月24日在线发表在金属材料领域著名的国际学术期刊《材料学报》(Acta Materialia)上。

传统蒸汽压缩制冷技术以氢氟烃和氢氯氟烃等化学物质为媒介,对环境危害极大。以镍钛合金为主要制冷工质的绿色固态制冷在众多非蒸汽压缩制冷技术中脱颖而出,其原理是利用马氏体反向相变过程中潜热的吸收来实现制冷。现有研究表明:具有细晶组织的镍钛合金相变能量耗散低但潜热过小,而粗晶组织则表现出高能耗、大潜热。因此,均质微观组织的镍钛合金难以兼顾低滞后和高潜热特性,不利于固态制冷性能的提升。本研究通过强塑变轧制(形成整体细晶基体)和激光退火(形成局部粗晶)相结合的方法成功制备出具有梯度晶粒结构的镍钛合金,使其突破强度-延展性、低滞后和高潜热之间的掣肘,实现该材料固态制冷性能的显著提升(图1)。

图1. (a) 材料加工图;(b)和(c)冷轧基体(CR),梯度结构(GS)和传统粗晶(CG)三者力学性能对比

本研究首次通过强塑变和激光退火制备出具有梯度晶粒结构的镍钛形状记忆合金并系统展示其热力学性能及潜在物理机制。高强度、高延性、高稳定性、低滞后及高潜热特性使其在制冷能力和效率方面遥遥领先目前已报到的固态制冷剂(图2),这为高性能绿色固态制冷材料的制备提供了新的思路。

图2. (a) 制冷效率和制冷温降;(b)应力滞后和比制冷能力

本文第一作者为博士生陈俊余,方刚副教授为通讯作者,论文合作者还包括清华大学机械工程系雷丽萍副研究员,清华大学材料学院刘伟教授及博士生邢磊磊。该研究工作得到了国家重点研发计划项目、国家自然科学基金项目的资助。

论文链接:https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.116741


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