[논문 리뷰] Functional Degradation and Self-enhanced Elastocaloric Cooling Performance of NiTi Tubes under Cyclic Compression

Dingshan Liang, Peng Hua외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 07. 23.

Shape Memory Alloy Transformations참고 문헌 52인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 순환 압축 하중에서 나노결정질 NiTi 관의 기능성 열화가 오히려 탄성열냉각 성능을 향상시킨다는 점을 밝혀냈다. 단상전이에 의해 유도된 불완전성과 불완전성에 의해 고정된 마르텐사이트로 인해 잔류 변형률이 누적되고, 이로 인해 히스테리시스 루프 면적(D)과 전이 응력이 감소하여, 주로 D 감소로 인해 자가강화된 재료 성능 계수(COPmater)가 40–104% 향상된다.

ABSTRACT

Superelastic NiTi tubes are promising candidates for eco-friendly elastocaloric cooling, but their cyclic stability suffers severely from functional degradation. Herein, we investigate the functional degradation of nanocrystalline NiTi tubes via in-depth analysis and find out that it is beneficial to elastocaloric cooling performance. The results show that the functional degradation accompanies with progressive accumulation of residual strain and significant reduction in both hysteresis loop area (D) and forward transformation stress. The accumulation of residual strain arises from phase-transition-induced dislocations and dislocation-pinned residual martensite. The former separates the original austenite grains to much smaller nanodomains (equivalent to grain size effect) and contributes to the strain hardening during phase transition, leading to the significant reduction of D. The latter induces compressive residual stress in the austenite phase and thus gives rise to the evolutive reduction of forward transformation stress. Consequently, the material coefficient of performance (COPmater) was self-enhanced for 40~104 %. The beneficial effect is mainly because of the cyclically-decreased D. The study might provide a processing route to tailor COPmater and stabilize the mechanical response of NiTi by cyclic compression.

연구 동기 및 목표

• 순환 압축 하중에서 초탄성 나노결정질 NiTi 관의 기능성 열화 메커니즘을 규명하는 것.
• 잔류 변형률과 미세구조 변화가 탄성열냉각 성능에 미치는 영향을 규명하는 것.
• 기능성 열화가 형태기억합금 기반 냉각 시스템의 냉각 효율을 향상시키는 데 활용될 수 있는지 평가하는 것.
• 순환 압축을 통해 NiTi 관의 기계적 반응을 안정화하고 COPmater를 향상시키는 가공 방법으로서의 잠재력을 탐색하는 것.

제안 방법

• 반복적인 순환 압축 시험 후 NiTi 관의 심층적인 미세구조 및 기계적 분석.
• 현장에서의 X선 회절 및 전자배경산란도(EBSD)를 활용하여 상전이 거동과 잔류 변형률 누적 추적.
• 사이클 수에 따른 히스테리시스 루프 면적(D)과 전진 전이 응력의 변화를 정량화.
• 나노도메인 및 불완전성 밀도와 같은 미세구조적 특징이 기계적 및 열냉각 반응에 미치는 상관관계 분석.
• 냉각 성능 향상 평가를 위해 재료 성능 계수(COPmater) 계산.
• X선 회절을 통한 잔류 응력 상태 분석 및 전이 응력에 미치는 영향의 모델링.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 순환 압축이 나노결정질 NiTi 관의 기능성 열화를 어떻게 유도하는가?
• RQ2 관측된 히스테리시스 루프 면적(D)과 전진 전이 응력 감소의 원인인 미세구조적 변화는 무엇인가?
• RQ3 기능성 열화가 탄성열냉각에서 재료 성능 계수(COPmater)에 얼마나 기여하는가?
• RQ4 상전이에 의해 유도된 잔류 변형률이 탄성열냉각 성능 향상에 활용될 수 있는가?
• RQ5 불완전성에 의해 고정된 마르텐사이트와 입자 크기 감소는 COPmater의 자가강화에 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 상전이에 의해 유도된 불완전성과 불완전성에 의해 고정된 마르텐사이트로 인해 잔류 변형률이 순환 압축 과정에서 점진적으로 누적된다.
• 나노도메인 형성에 의한 변형강화로 인해 히스테리시스 루프 면적(D)이 크게 감소하며, 이는 입자 크기 효과를 모방한다.
• 불완전성에 의해 고정된 마르텐사이트로 인해 오스테나이트 상에 압축 잔류 응력이 유도되어 전진 전이 응력이 사이클 수에 따라 감소한다.
• 순환에 따른 D 감소로 인해 재료 성능 계수(COPmater)가 40–104% 향상되어 자가강화된 냉각 성능을 나타낸다.
• COPmater 향상 효과는 주로 히스테리시스 손실 감소 때문이며, 전이 엔트로피나 온도 범위 변화의 영향은 아님을 확인하였다.
• 순환 압축은 NiTi 관의 COPmater를 조절하고 기계적 반응을 안정화시키는 가공 방법으로 활용될 수 있다.