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从道永、王沿东教授团队在金属弹热材料研究领域取得重要进展

单位(作者):新金属材料国家重点实验室 | 来源:本站原创 | 更新时间:2019-06-28 | 点击数:

最近,新金属材料国家重点实验室、北京材料基因工程高精尖创新中心从道永、王沿东教授团队在国家自然科学基金委员会的持续资助下发现了NiMnTiB多晶块体合金的庞弹热效应。国际著名学术期刊Physical Review Letters (PRL)以“Colossal Elastocaloric Effect in Ferroelastic Ni-Mn-Ti Alloys”(铁弹Ni-Mn-Ti合金的庞弹热效应)为题于2019年6月26日在线发表他们的研究论文,该论文同时被PRL编辑选为“Editors'Suggestion”重点推介并被Physics杂志亮点点评。

在全球气候变暖的大背景下,制冷对现代生活变得日益重要。目前广泛采用的气体压缩制冷技术能效低且对环境产生有害气体。基于应力诱发马氏体正(逆)相变放(吸)热的固态弹热制冷环境友好、节能高效,已成为最有希望取代传统气体压缩的新型制冷技术。弹热制冷的实施依赖于高性能弹热材料的研制。目前最大的弹热效应存在于原型形状记忆合金NiTi,但大弹热效应(绝热温变约25K)多发现于小尺寸薄膜、细丝等,不适合大规模弹热制冷应用。弹热制冷能力与弹热材料的质量成正比,研制具有大弹热效应、易于大规模制备的多晶块体合金一直是弹热材料研究领域的一大挑战。

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图1. 弹热制冷循环示意图

从道永、王沿东教授团队及合作者采用“相变前后晶胞体积变化越大相变熵变越大“的设计思路,并利用硼微合金化强化晶界克服合金晶界脆性,设计并研制出具有庞弹热效应的NiMnTiB多晶块体合金。该合金的绝热温变高达31.5K,等温熵变高达45J/kgK,弹热性能远超过原型NiTi合金。同时,该合金的绝热温变位居所有固态制冷材料绝热温变最高值。在成本低廉、易于制备的多晶块体合金中发现如此大的弹热效应,具有极为重要的应用价值,有助于推动高效环保弹热制冷新技术的工程化应用。此外,该研究工作有望启迪在更广泛的弹热材料中探寻具有实际应用价值的巨热效应(giant caloric effect)。

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图2. NiMnTiB合金的庞弹热效应:a) 加载、保持载荷、卸载过程中样品温度的变化;b)加载最大应力保持恒定时,绝热温变随加载速率的变化;c)加载、卸载速率保持恒定时,绝热温变随加载最大应力的变化

这项工作得到来自西班牙和美国阿贡国家实验室的国际同行的支持和帮助。

论文链接:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.255703

Physics杂志亮点点评链接:https://physics.aps.org/articles/v12/72

(责编:杜嘉庆、邢华超)