A.粉末激光定向能量沉積技術(shù)示意圖；

B. 鎳鈦合金相圖；

C-H. 作為范例展示，獲得了柱狀、管狀和蜂窩狀結(jié)構(gòu)；

F. 等溫加載時(shí)各材料行為的對(duì)比；

G. 絕熱加載時(shí)各材料行為的對(duì)比；

H. 各材料的滯后特性和效率的對(duì)比

北京時(shí)間11月29日，《科學(xué)》在線發(fā)表了西安交通大學(xué)能動(dòng)學(xué)院錢蘇昕副教授與美國(guó)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(wú)任何溫室氣體效應(yīng)，具有環(huán)保的優(yōu)勢(shì)。除此之外，彈熱效應(yīng)能量密度顯著，在2014年美國(guó)能源部評(píng)估的17項(xiàng)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(jī)的效率仍有待提高。

為此，馬里蘭大學(xué)、阿姆斯實(shí)驗(yàn)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(gè)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?zé)崞鞯慕Y(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)熔鑄工藝形狀記憶合金不同，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了增材制造的鎳鈦合金具有準(zhǔn)線性應(yīng)力—應(yīng)變響應(yīng)、與加載速率無(wú)關(guān)的回滯特性以及顯著降低的相變回滯。先進(jìn)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(cuò)位可以成為相變過(guò)程的成核點(diǎn)，有效降低相變過(guò)程需要克服的勢(shì)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(wàn)次加卸載循環(huán)后仍無(wú)明顯變化。

另外，論文作者錢蘇昕等還就增材制造鎳鈦合金的熱力學(xué)特性及其在彈熱制冷器件中的應(yīng)用開展了理論分析研究。增材制造鎳鈦合金與加載速率無(wú)關(guān)的回滯特性使得其可以有效利用基于絕熱相變的布雷頓回?zé)嶂评溲h(huán)，無(wú)需以犧牲運(yùn)行頻率和制冷功率為代價(jià)運(yùn)行基于等溫相變的斯特林循環(huán)。同時(shí)，準(zhǔn)線性應(yīng)力-應(yīng)變特性提高了彈熱制冷機(jī)中卸載功回收設(shè)計(jì)的重要性。考慮到現(xiàn)有彈熱制冷器件中卸載功回收技術(shù)已經(jīng)成熟，在認(rèn)為卸載功可完全回收的情況下，以GB/T7725空調(diào)標(biāo)準(zhǔn)工況為例，增材制造鎳鈦合金樣品的熱力完善度達(dá)60%，接近傳統(tǒng)熔鑄鎳鈦合金材料熱力完善度的4倍。

西安交通大學(xué)制冷與低溫工程系錢蘇昕副教授是該項(xiàng)工作的第一和通訊單位，西安交通大學(xué)制冷與低溫工程系為第四單位；論文第一作者為西安交通大學(xué)制冷與低溫工程系侯慧龍博士，論文通訊作者為竹內(nèi)一郎教授。