用于节能制冷的新型耐用铜铝锌形状记忆合金

弹性热效应是一种材料在受到机械应力时表现出温度变化的现象。温度变化的发生是由于马氏体转变引起的熵差，伴随着材料在应力下的晶体结构变化。当橡皮筋被拉伸时会观察到类似的效果：它的聚合物链以有序的方式排列，导致其熵降低。这导致橡皮筋向周围释放热量并变得更暖和。当松开橡皮筋时，会发生相反的情况，橡皮筋会冷却下来。

与橡皮筋一样，金属超弹性形状记忆合金 (SMA) 也可以利用弹性热效应进行冷却。由 Cu、铝 (Al) 和锌 (Zn) 组成的铜 (Cu) 基 SMA 特别有前途，因为它们成本低，触发温度升高的应力需求适中。然而，Cu-Al-Zn SMA 存在循环疲劳问题，因为它们的粗晶粒和大量晶界很容易因反复膨胀和收缩而断裂。

现在，在2023 年 3 月 31 日发表在Journal of Physics: Energy上的一项研究中，东京理科大学的 Kenjiro Fujimoto 教授、马里兰大学的 Ichiro Takeuchi 教授以及马里兰能源与传感器技术公司的研究人员开发了一种高度耐用的 Cu-Zn-Al SMA，能够承受大量循环载荷。“我们一直在寻找促进 68Cu-16Al-16Zn 合金晶粒生长的条件，以改善其弹性热性能，”Fujimoto 教授解释了他们研究背后的动机。

最近，他们报告说，使 Cu-Al-Mn 合金在混合相和高温相中反复加热和冷却会增加材料的晶粒尺寸。对这些发现很感兴趣，该团队决定研究类似的相变是否可以提高 Cu-Zn-Al 合金的性能。

为了制备 Cu-Al-Zn 合金，研究人员将 Cu、Al 和 Zn 在碳坩埚中混合。他们在低压下熔化金属以抑制锌的挥发。合金制备完成后，研究人员将其冷却并以三种不同的轧制速率(分别为 0%、67% 和 83%)轧制成 7 毫米厚的铸锭。然后使用高温X射线衍射测定合金的相界温度，结果表明混合相和高温相之间的相界发生在700℃和750℃之间。基于此，研究人员将合金在 500°C 至 900°C 之间反复加热和冷却。

所有经受热处理循环的铸锭都显示出晶粒尺寸的增加，在以 67% 的速率轧制的合金中观察到最大增加。原始钢锭的晶粒尺寸为 2.21 毫米，但该组中热处理钢锭的平均晶粒尺寸增加到 11.1 毫米。

“结果表明，除了 67% 的轧制率外，跨越周期性相界的热处理对于单晶状晶粒生长也是有效的，”Fujimoto 教授说。由于晶粒较大，晶界较少，经过热处理的合金更不易断裂，能够在 2% 的应变下承受超过 60,000 次机械循环。

热处理工艺还显着改善了 Cu-Zn-Al 合金的弹性热性能。与之前报道的相同成分的合金相比，经过热处理的合金在释放应变时显示出 6.3 J/g 的潜热，这是之前测量值 2.3 J/g 的两倍多。这表明经过热处理的合金可以更有效地冷却。此外，该合金在低循环载荷 (106 MPa) 下加载和卸载时分别表现出 +5.9 K 和 -5.6 K 的绝热温差。

虽然橡皮筋冰箱尚未成为主流，但弹性热效应有可能提供创新的冷却解决方案。因此，开发能够实现这一目的的材料至关重要。在这方面，经过热处理的 Cu-Zn-Al 合金表现出有前途的特性，可以为高效且具有成本效益的冷却系统铺平道路。

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