Краткий отчёт по проекту РФФИ № 15-07-08806 за 2015-2017 гг
Эластокалорический эффект в перспективных твердотельных функциональных материалах для элементной базы микроэлектроники и альтернативной энергетики
Руководитель: Шавров В.Г.
Аннотация. Проект посвящен изучению калорических эффектов: эластокалорического (ЭКЭ) и магнитокалорического (МКЭ), в функциональных материалах, в частности, в интерметаллидах с фазовыми структурными переходами (ФП). В ходе проекта создавались образцы новых сплавов, проявляющих рекордные ЭКЭ, и МКЭ, и эффект памяти формы (ЭПФ) вблизи комнатной температуры. Объектами исследования были, как интерметаллиды с термоупругим мартенситным превращением из семейств Ni-Mn-Ga, FeRh, Ti2NiCu, так и образцы эластомеров – латексной резины с так называемой энтропийной упругостью, демонстрирующие высокие значения, соответственно, МКЭ и ЭКЭ. Образцы Ni-Mn-Ga были получены в виде слитков методом дуговой плавки, затем они подвергались гомогенизирующему отжигу. Образцы сплава Ti2NiCu получены методом быстрой закалки из расплава. Применен оригинальный метод отжига электрическим импульсом из аморфного состояния, с помощью которого можно получить из аморфного состояния сплава, как смешанное аморфно-кристаллическое, так и наноструктурное. Для исследования ЭКЭ, МКЭ и ЭПФ использованы оригинальные, разработанные авторами проекта методики и установки.
С помощью нового инфракрасного волоконно-оптического датчика температуры с высоким быстродействием исследован МКЭ в Gd и Fe48Rh52. Величина МКЭ в импульсном магнитном поле амплитудой 12,7 Тл для образца Gd вблизи точки Кюри составила 21,3 К, а обратный МКЭ для образца Fe48Rh52 при начальной температуре 305,1 K вблизи фазового перехода 1-го рода в поле величиной 8,5 Тл составил -4,5 К. Кроме того, были рассчитаны необратимые потери энергии на намагничивание для Fe48Rh52 из прямых измерений in situ: W = 45 Дж/кг.
Экспериментально с помощью оригинальной установки исследованы термомеханические свойства и магнтоуправляемый ЭПФ ферромагнитных сплавов Ni54Mn21Ga25 и Ni50Mn41,2In8,8. Для сплава Ni54Mn21Ga25 смещение температур МП составило 0,5 С/Т в магнитном поле до 10 Т, а для сплава Ni50Mn41,2In8,8 – 0,95 С/Т. Для сплава Ni54Mn21Ga25 получена обратимая деформация изгиба ε ≈ 0,2 % в магнитном поле 14 Т при механических напряжениях 8,6 МПа.
При исследовании ЭКЭ в эластомерах при периодическом воздействии внешней нагрузки частотой циклов от 0,1 Гц до 4 Гц, при относительной деформации до 700%. Были получены зависимости ЭКЭ от температуры образца. Внешнего напряжения и температуры. Продемонстрирована величина ЭКЭ образца более 10 К. Обнаружено резкое снижение ЭКЭ до 2-4 К при повышении частоты до 4 Гц.
В быстрозакалённых ленты сплава Ti2NiCu с эффектом памяти формы (ЭПФ) и в аморфно-кристаллических композитах того же сплава был измерен ЭКЭ при периодическом воздействии внешней нагрузки частотой циклов от 0,2 Гц до 4 Гц, при нагрузках 150 МПа, 225 МПа и 300 МПа. Максимальное значение ЭКЭ составило 9,4 К в сплаве с ЭПФ, максимальное значение ЭКЭ в аморфно-кристаллическом сплаве было почти на порядок ниже и составляло 1,6 К. (см. рис. 1). Получены предварительные данные об уменьшении ЭКЭ с увеличением частоты циклов вынуждающей периодической силы. Произведена оценка удельной мощности рабочего тела холодильника на основе образца ленты сплава Ti2NiCu с ЭПФ в зависимости от частоты циклов растяжения при разных нагрузках. Удельная мощность достигает максимального значения 10 Вт/г при частоте 4 Гц и нагрузке 300 МПа. Для аморфно-кристаллического образца сплава Ti2NiCu оценка не проводилась ввиду малого значения ЭКЭ.
На основе проделанных фундаментальных исследований авторами проекта предложена оригинальная практическая схема эластокалорического теплового насоса (ЭКТН) для применений в альтернативной энергетике и электронной технике. Сделаны теоретические оценки достижимых значений термодинамических характеристик нового устройства.
