【摘 要】
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基于形状记忆合金（SMAs）弹热效应发展而来的弹热制冷技术,以其高效、环保、经济等优点,有望成为替代传统蒸汽压缩制冷的一种新兴制冷技术。高性能、低成本的Cu基形状记忆合金已成为除Ni-Ti基合金之外最具发展潜力和应用价值的记忆合金。本文以Cu-Al-Mn合金为研究对象,采用玻璃包覆法成功制备出在室温下具有良好弹热效应的Cu-Al-Mn合金纤维。研究了纤维晶粒形态与弹热性能之间的关系,阐明了从晶粒设
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基于形状记忆合金（SMAs）弹热效应发展而来的弹热制冷技术,以其高效、环保、经济等优点,有望成为替代传统蒸汽压缩制冷的一种新兴制冷技术。高性能、低成本的Cu基形状记忆合金已成为除Ni-Ti基合金之外最具发展潜力和应用价值的记忆合金。本文以Cu-Al-Mn合金为研究对象,采用玻璃包覆法成功制备出在室温下具有良好弹热效应的Cu-Al-Mn合金纤维。研究了纤维晶粒形态与弹热性能之间的关系,阐明了从晶粒设计的角度改善Cu-Al-Mn纤维超弹性和弹热性能的途径。Cu71Al18Mn11（at.%）合金经1073 K固溶淬火、423 K时效处理后,在室温303 K下获得具有热弹性马氏体相变特征的单一β相。细晶Cu71Al18Mn11纤维室温超弹性的临界应力较高（180～200 MPa）,平台应变较低（2%～3%）;卸载后存在少量残余应变,应力滞后高达100 MPa。温度303 K时,细晶纤维在300-350 MPa的单轴应力下绝热温变为3～5 K;但弹热可逆性较差,弹热循环加载与卸载过程的温变不对称,且50次弹热循环后纤维发生断裂。通过高温退火制备具有竹节状晶粒形态的Cu71Al18Mn11纤维。竹节晶Cu71Al18Mn11纤维在室温下超弹性相变临界应力降低、转变应变提高,室温下应力诱发等温熵变为10.1 J/kg·K。双程形状记忆效应测试表明,竹节晶纤维的应力滞后不随着外加应力的提高而改变。与细晶纤维相比,竹节晶纤维具有更加均匀且可逆的弹热效应,在150 MPa单轴应力下绝热温变达5 K,但弹热循环50次以后性能开始衰减。为了改善弹热循环稳定性,对竹节晶Cu71Al18Mn11纤维进行室温下的连续冷拉拔。在细化晶粒提高屈服强度的同时,并在纤维中引入织构,提高纤维的相变协调性。冷拔后织构少晶态纤维形成平行于纤维轴向的?101?织构,晶粒尺寸小于100μm,超弹性临界应力提高,转变应变略有下降,室温下绝热温变平均5.4 K,在275次弹热循环中保持3 K左右的稳定温变。纤维中绝热温变分布不均匀,最大温变可达7.1 K,而最低只有2.9 K。纤维中的弹热效应非均匀分布源自于相变过程中的应变局域化现象。冷拉拔虽然提高了纤维的弹热循环稳定性,但是引入了较多的晶界面积,抑制了马氏体相变,导致了绝热温变较低。为了同时获得较高的绝热温变和稳定的弹热循环,通过调控纤维晶粒取向,纤维直径,化学成分等参数,以竹节状晶粒形态为基础,制备出具有高弹热性能的Cu71.1Al17.2Mn11.7纤维。用红外直接测量得到了11.9 K的大可逆绝热温变,在90 K的温度区间内具有约21 J/kg·K的应力诱发等温熵变,在200次弹热循环中获得了5.6 K的稳定绝热温变。最后,本文系统总结了制备高弹热性能Cu-Al-Mn合金纤维的设计思路,提出了从晶粒形态设计的角度改善Cu-Al-Mn合金纤维弹热性能的方法,为后续制备优异的Cu基弹热材料提供了理论依据。
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