相比于傳統(tǒng)氣體壓縮制冷，固態(tài)制冷以其在節(jié)約能源與保護(hù)環(huán)境方面的獨(dú)特優(yōu)勢成為最近十幾年來的研究熱點(diǎn)?；诳赡骜R氏體相變材料在外加力的激勵作用下的彈熱效應(yīng)制冷非常具有應(yīng)用潛力。彈熱效應(yīng)的溫變大小、臨界應(yīng)力、相變滯后、疲勞特性等關(guān)鍵性能指標(biāo)，不僅依賴于相變熵和化學(xué)鍵強(qiáng)度等材料內(nèi)秉屬性，也與材料的微觀缺陷和組織結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)。因此有效調(diào)控微觀組織是發(fā)揮材料彈熱性能的關(guān)鍵，而對金屬功能材料的非平衡凝固相選擇和晶體學(xué)取向控制是一種獨(dú)特的材料制備加工方法，有望改善常規(guī)方法獲得的彈熱性能。

    近年來，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所新型磁相變材料團(tuán)隊(duì)報道了數(shù)十種材料的彈熱效應(yīng)，并系統(tǒng)研究了受控凝固對彈熱制冷材料的性能影響。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(yīng)變，具有巨大的彈熱潛力。團(tuán)隊(duì)用直接熔煉成型和退火的方法制備了Pd-In-Fe多晶合金，首次測量了Pd-In-Fe合金的彈熱效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)Pd59.3In23.2Fe17.5在80MPa的臨界應(yīng)力觸發(fā)下得到5.4K的絕熱溫變，成果發(fā)表在Intermetallics上（2018, v100, p27）。接下來，團(tuán)隊(duì)用循環(huán)過熱與熔融玻璃復(fù)合的深過冷凝固技術(shù)制備Pd-In-Fe合金并研究了超彈性和彈熱效應(yīng)。該凝固技術(shù)通過熔融玻璃消除熔體中的雜質(zhì)，使得合金在遠(yuǎn)低于液相線溫度以下的溫度形核凝固，避免了鑄態(tài)合金的偏析凝固過程，直接獲得了成分均勻的馬氏體相，同時由于深過冷過程引入大量內(nèi)引力，在361K獲得了獨(dú)特的線性超彈性。線性超彈性的滯后損失與同等應(yīng)變量的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(yīng)力作用下獲得3K的絕熱溫變。這種獨(dú)特的具有小滯后損失的線性超彈性有利于系統(tǒng)設(shè)計的緊湊性和小型化，相關(guān)工作發(fā)表于Scripta Materialia（2019, v160, p58），并申請了專利（201811164007.1）。

    此外，團(tuán)隊(duì)通過液態(tài)金屬冷卻高溫度梯度定向凝固的方法制備了取向與偏離該晶向的NiMnSn大晶粒樣品，構(gòu)建出在同等加載條件下研究彈熱溫變和局域應(yīng)變的晶粒取向依賴性的實(shí)驗(yàn)條件。引進(jìn)結(jié)合紅外熱成像與數(shù)字圖像關(guān)聯(lián)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了在彈熱測試過程中的溫度和應(yīng)變的面分布的實(shí)時監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)應(yīng)變分布和溫變分布具有明顯的晶向依賴性，并且觀察到了局域溫變落后于應(yīng)變的不同步現(xiàn)象。該工作對于深入理解應(yīng)力誘發(fā)的相變機(jī)理和挖掘材料最優(yōu)彈熱性能有重要指導(dǎo)意義，相關(guān)成果發(fā)表于Scripta Materialia（2019, v163, p14）。

    此項(xiàng)研究得到國家自然科學(xué)基金（51801225, 51771218, 51531008 , 51701233）、中科院國際合作重點(diǎn)項(xiàng)目（174433KYSB20180040）和中科院儀器修購計劃的支持。

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

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責(zé)任編輯：殷鵬飛

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