《Science》：北航侯慧龍3D打印鎳鈦合金應(yīng)力制冷材料

來(lái)源：材料科學(xué)與工程公眾號(hào)，作者：侯慧龍

2019年11月29日，北航侯慧龍副教授以第一作者身份在世界頂級(jí)期刊《Science》發(fā)表了最新研究成果，文章標(biāo)題為《Fatigue-resistant high-performance elastocaloric materials made by additive manufacturing》。論文發(fā)現(xiàn)增材制造應(yīng)力制冷材料可以實(shí)現(xiàn)對(duì)具有長(zhǎng)壽命、高性能的金屬制冷劑進(jìn)行獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)控制?？蛊?、高性能鎳鈦合金的獲得展示了增材制造在優(yōu)化固態(tài)制冷技術(shù)的潛力。感謝侯慧龍老師為我們導(dǎo)讀本文。

文章鏈接:
https://science.sciencemag.org/content/366/6469/1116

空調(diào)和制冷每年消耗全世界約五分之一的電力資源。更高效、更環(huán)保的制冷技術(shù)在最近十幾年發(fā)展迅速 (Science 311, 1270-1271 (2006); Nature Materials, 13, 439-450 (2014); Science 355, 1062-1066 (2017); Nature 567, 506-510 (2019))。固態(tài)制冷技術(shù)（包含磁熱制冷、機(jī)械熱制冷和電熱制冷及其他）近年來(lái)引起關(guān)注。

應(yīng)力制冷（或稱(chēng)彈熱制冷，是機(jī)械熱制冷的形式之一）是通過(guò)外應(yīng)力場(chǎng)的施加和移除可逆地改變材料的晶體結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)性以引起材料放熱和吸熱。應(yīng)力制冷技術(shù)在2012年發(fā)明于美國(guó)馬里蘭大學(xué)，因其巨大的潛熱效能，在2014年美國(guó)能源部統(tǒng)計(jì)的取代蒸氣壓縮式制冷的17種可選技術(shù)中居首。同時(shí)，應(yīng)力制冷樣機(jī)和應(yīng)力蓄熱熱泵也在不斷開(kāi)發(fā)，以期接近實(shí)際應(yīng)用。然而，應(yīng)力制冷材料的熱力滯后會(huì)約束制冷系統(tǒng)的效率，并且其對(duì)制冷性能的長(zhǎng)期穩(wěn)定性影響尚未得到解決。

增材制造鎳鈦合金能夠制造出高效熱力學(xué)性能、超窄滯后的應(yīng)力制冷材料。通過(guò)精巧設(shè)計(jì)的“工藝-微結(jié)構(gòu)-屬性-性能”策略，利用粉末激光定向能量沉積技術(shù)中的局部熔融和快速冷卻的特點(diǎn)，調(diào)節(jié)元素粉末的比例達(dá)到近共熔成分混合，實(shí)現(xiàn)在二元合金基體中鑲嵌富鎳的金屬間化合物的納米復(fù)合微結(jié)構(gòu)。所獲得的應(yīng)力制冷材料在準(zhǔn)線(xiàn)性應(yīng)力-應(yīng)變行為中展現(xiàn)出極小的應(yīng)力滯后，相比于通常的情況其材料效率提高了4到7倍，并且在一百萬(wàn)次循環(huán)中擁有可重復(fù)的應(yīng)力制冷性能。

圖一：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。

先進(jìn)的原位加載同步X射線(xiàn)衍射表征手段輔以微觀力學(xué)模型揭示了二元合金基體和富鎳金屬間化合物的相互作用機(jī)制?；趯?shí)驗(yàn)觀測(cè)創(chuàng)建了應(yīng)力制冷材料輸入能量耗散率與功能失效循環(huán)之間的唯象相關(guān)性，并且初步的實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)顯示該相關(guān)性可普適于固態(tài)制冷材料，首創(chuàng)性地為長(zhǎng)壽命材料的制造、選取和工程設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)，對(duì)構(gòu)筑高效、穩(wěn)定的固態(tài)制冷技術(shù)具有重要的科學(xué)與技術(shù)意義。

圖為增材制造抗疲勞、高性能應(yīng)力制冷材料的示意圖。（右上）粉末送料機(jī)用以提供元素粉末并加以混合，形成近共熔成分；激光在聚焦時(shí)提供能量；（中間）混合的元素粉末在激光的作用下熔融，形成局部熔池；隨著局部熔池的不間斷移動(dòng)，構(gòu)件的不同部位依次形成；（背景）作為范例展示，蜂窩狀構(gòu)件的形狀和高度依次形成。

近日，這項(xiàng)工作發(fā)表在《Science》上。該工作是由北航2019年9月引進(jìn)的青年教師侯慧龍以第一作者身份在美國(guó)馬里蘭大學(xué)與其合作者完成，得到了美國(guó)能源部高級(jí)能源研究計(jì)劃署、美國(guó)能源部先進(jìn)制造辦公室、美國(guó)能源部科學(xué)辦公室、美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)等的資助。后續(xù)即將開(kāi)展的研究工作將立足于北京航空航天大學(xué)，服務(wù)于國(guó)家在航空航天飛行器特種制冷技術(shù)的重大需求，結(jié)合航空科學(xué)與工程學(xué)院特色專(zhuān)業(yè)（包括飛行器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和人機(jī)與環(huán)境工程），并與材料科學(xué)與工程學(xué)院、機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院以及國(guó)內(nèi)外相關(guān)單位合作進(jìn)行。