相比于傳統氣體壓縮制冷，固态制冷以其在節約能(néng)源與保護環境方面(miàn)的獨特優勢成(chéng)爲最近十幾年來的研究熱點。基于可逆馬氏體相變材料在外加力的激勵作用下的彈熱效應制冷非常具有應用潛力。彈熱效應的溫變大小、臨界應力、相變滞後(hòu)、疲勞特性等關鍵性能(néng)指标，不僅依賴于相變熵和化學(xué)鍵強度等材料内秉屬性，也與材料的微觀缺陷和組織結構緊密相關。因此有效調控微觀組織是發(fā)揮材料彈熱性能(néng)的關鍵，而對(duì)金屬功能(néng)材料的非平衡凝固相選擇和晶體學(xué)取向(xiàng)控制是一種(zhǒng)獨特的材料制備加工方法，有望改善常規方法獲得的彈熱性能(néng)。
近年來，中國(guó)科學(xué)院甯波材料技術與工程研究所新型磁相變材料團隊報道(dào)了數十種(zhǒng)材料的彈熱效應，并系統研究了受控凝固對(duì)彈熱制冷材料的性能(néng)影響。最近，作爲一種(zhǒng)新型變磁性形狀記憶合金Pd-In-Fe單晶理論上能(néng)夠得到15%的拉伸馬氏體相變應變，具有巨大的彈熱潛力。團隊用直接熔煉成(chéng)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，發(fā)現Pd59.3In23.2Fe17.5在80MPa的臨界應力觸發(fā)下得到5.4K的絕熱溫變，成(chéng)果發(fā)表在Intermetallics上（2018, v100, p27）。接下來，團隊用循環過(guò)熱與熔融玻璃複合的深過(guò)冷凝固技術制備Pd-In-Fe合金并研究了超彈性和彈熱效應。該凝固技術通過(guò)熔融玻璃消除熔體中的雜質，使得合金在遠低于液相線溫度以下的溫度形核凝固，避免了鑄态合金的偏析凝固過(guò)程，直接獲得了成(chéng)分均勻的馬氏體相，同時由于深過(guò)冷過(guò)程引入大量内引力，在361K獲得了獨特的線性超彈性。線性超彈性的滞後(hòu)損失與同等應變量的Pd-In-Fe退火樣(yàng)品的非線性超彈性相比減小了75%。該深過(guò)冷合金在154MPa單軸應力作用下獲得3K的絕熱溫變。這(zhè)種(zhǒng)獨特的具有小滞後(hòu)損失的線性超彈性有利于系統設計的緊湊性和小型化，相關工作發(fā)表在Scripta Materialia（2019, v160, p58），并申請了專利（201811164007.1）。
此外，團隊通過(guò)液态金屬冷卻高溫度梯度定向(xiàng)凝固的方法制備了取向(xiàng)與偏離該晶向(xiàng)的NiMnSn大晶粒樣(yàng)品，構建出在同等加載條件下研究彈熱溫變和局域應變的晶粒取向(xiàng)依賴性的實驗條件。引進(jìn)結合紅外熱成(chéng)像與數字圖像關聯技術，實現了在彈熱測試過(guò)程中的溫度和應變的面(miàn)分布的實時監控，發(fā)現應變分布和溫變分布具有明顯的晶向(xiàng)依賴性，并且觀察到了局域溫變落後(hòu)于應變的不同步現象。本工作對(duì)于深入理解應力誘發(fā)的相變機理和挖掘材料最優彈熱性能(néng)有重要指導意義，發(fā)表在Scripta Materialia（2019, v163, p14）。
此項研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（51801225, 51771218, 51531008 , 51701233），中科院國(guó)際合作重點項目（174433KYSB20180040）和中科院儀器修購計劃的支持。
深過(guò)冷凝固Pd-In-Fe合金的線性超彈性（左）和定向(xiàng)凝固NiMnSn合金的紅外熱成(chéng)像圖與局域應變圖（右）
（稀土實驗室 魏志陽）
