《Science》：北航侯慧龍3D打印鎳鈦合金應(yīng)力制冷材料

來源：材料科學(xué)與工程公眾號，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)力制冷材料可以實現(xiàn)對具有長壽命,、高性能的金屬制冷劑進(jìn)行獨特的微觀結(jié)構(gòu)控制,�,？蛊�勞、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）近年來引起關(guān)注,。

應(yīng)力制冷（或稱彈熱制冷,，是機(jī)械熱制冷的形式之一）是通過外應(yīng)力場的施加和移除可逆地改變材料的晶體結(jié)構(gòu)對稱性以引起材料放熱和吸熱。應(yīng)力制冷技術(shù)在2012年發(fā)明于美國馬里蘭大學(xué),，因其巨大的潛熱效能,，在2014年美國能源部統(tǒng)計的取代蒸氣壓縮式制冷的17種可選技術(shù)中居首。同時,，應(yīng)力制冷樣機(jī)和應(yīng)力蓄熱熱泵也在不斷開發(fā),，以期接近實際應(yīng)用。然而,，應(yīng)力制冷材料的熱力滯后會約束制冷系統(tǒng)的效率,，并且其對制冷性能的長期穩(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,。通過精巧設(shè)計的“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,，調(diào)節(jié)元素粉末的比例達(dá)到近共熔成分混合,，實現(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. 等溫加載時各材料行為的對比,；G. 絕熱加載時各材料行為的對比,；H. 各材料的滯后特性和效率的對比。

先進(jìn)的原位加載同步X射線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,�,；�于實驗觀測創(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,，并且初步的實驗統(tǒng)計顯示該相關(guān)性可普適于固態(tài)制冷材料，首創(chuàng)性地為長壽命材料的制造,、選取和工程設(shè)計提供科學(xué)依據(jù),，對構(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，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馬里蘭大學(xué)與其合作者完成，得到了美國能源部高級能源研究計劃署,、美國能源部先進(jìn)制造辦公室,、美國能源部科學(xué)辦公室、美國國家科學(xué)基金會等的資助,。后續(xù)即將開展的研究工作將立足于北京航空航天大學(xué),，服務(wù)于國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)械工程及自動化學(xué)院以及國內(nèi)外相關(guān)單位合作進(jìn)行。