Fatigue-resistant high-performance elastocaloric materials made by additive manufacturing

材料科学 金属间化合物 微观结构 钛镍合金 制冷 磁滞 形状记忆合金 制冷剂 热交换器 蒸汽压缩制冷 工作(物理) 复合材料 冶金 机械工程 合金 工程类 物理 量子力学
作者
Huilong Hou,Emrah Simsek,Tao Ma,Nathan S. Johnson,Suxin Qian,Cheikh Cissé,Drew Stasak,Naila Al Hasan,Lin Zhou,Yunho Hwang,Reinhard Radermacher,Valery I. Levitas,M. J. Kramer,Mohsen Asle Zaeem,Aaron P. Stebner,Ryan Ott,Jun Cui,Ichiro Takeuchi
出处
期刊:Science [American Association for the Advancement of Science (AAAS)]
卷期号:366 (6469): 1116-1121 被引量:284
标识
DOI:10.1126/science.aax7616
摘要

Elastocaloric cooling, which exploits the latent heat released and absorbed as stress-induced phase transformations are reversibly cycled in shape memory alloys, has recently emerged as a frontrunner in non-vapor-compression cooling technologies. The intrinsically high thermodynamic efficiency of elastocaloric materials is limited only by work hysteresis. Here, we report on creating high-performance low-hysteresis elastocaloric cooling materials via additive manufacturing of Titanium-Nickel (Ti-Ni) alloys. Contrary to established knowledge of the physical metallurgy of Ti-Ni alloys, intermetallic phases are found to be beneficial to elastocaloric performances when they are combined with the binary Ti-Ni compound in nanocomposite configurations. The resulting microstructure gives rise to quasi-linear stress-strain behaviors with extremely small hysteresis, leading to enhancement in the materials efficiency by a factor of five. Furthermore, despite being composed of more than 50% intermetallic phases, the reversible, repeatable elastocaloric performance of this material is shown to be stable over one million cycles. This result opens the door for direct implementation of additive manufacturing to elastocaloric cooling systems where versatile design strategy enables both topology optimization of heat exchangers as well as unique microstructural control of metallic refrigerants.
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