北航Science最新成果: 增材制造抗疲勞、高性能應力制冷材料

北京航空航天大學侯慧龍副教授以第一作者身份在世界頂級期刊《Science》發表了最新研究成果，文章標題為《Fatigue-resistant high-performance elastocaloric materials made by additive manufacturing》。

空調和制冷每年消耗全世界約五分之一的電力資源。更高效、更環保的制冷技術在最近十幾年發展迅速 (Science 311, 1270-1271 (2006); Nature Materials, 13, 439-450 (2014); Science 355, 1062-1066 (2017); Nature 567, 506-510 (2019))。固態制冷技術（包含磁熱制冷、機械熱制冷和電熱制冷及其他）近年來引起關注。應力制冷（或稱彈熱制冷，是機械熱制冷的形式之一）是通過外應力場的施加和移除可逆地改變材料的晶體結構對稱性以引起材料放熱和吸熱。應力制冷技術在2012年發明于美國馬里蘭大學，因其巨大的潛熱效能，在2014年美國能源部統計的取代蒸氣壓縮式制冷的17種可選技術中居首。同時，應力制冷樣機和應力蓄熱熱泵也在不斷開發，以期接近實際應用。然而，應力制冷材料的熱力滯后會約束制冷系統的效率，并且其對制冷性能的長期穩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性能、超窄滯后的應力制冷材料。通過精巧設計的“工藝-微結構-屬性-性能”策略，利用粉末激光定向能量沉積技術中的局部熔融和快速冷卻的特點，調節元素粉末的比例達到近共熔成分混合，實現在二元合金基體中鑲嵌富鎳的金屬間化合物的納米復合微結構。所獲得的應力制冷材料在準線性應力-應變行為中展現出極小的應力滯后，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中擁有可重復的應力制冷性能。先進的原位加載同步X射線衍射表征手段輔以微觀力學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制。基于實驗觀測創建了應力制冷材料輸入能量耗散率與功能失效循環之間的唯象相關性，并且初步的實驗統計顯示該相關性可普適于固態制冷材料，首創性地為長壽命材料的制造、選取和工程設計提供科學依據，對構筑高效、穩定的固態制冷技術具有重要的科學與技術意義。

增材制造應力制冷材料可以實現對具有長壽命、高性能的金屬制冷劑進行獨特的微觀結構控制。抗疲勞、高性能鎳鈦合金的獲得展示了增材制造在優化固態制冷技術的潛力。

圖一為增材制造抗疲勞、高性能應力制冷材料的示意圖。（右上）粉末送料機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，構件的不同部位依次形成；（背景）作為范例展示，蜂窩狀構件的形狀和高度依次形成。

近日，這項工作發表在<<Science>>上。該工作是由北京航空航天大學航空科學與工程學院2019年9月引進的青年教師侯慧龍（課題組介紹：http://shi.buaa.edu.cn/hougroup）以第一作者身份在美國馬里蘭大學與其合作者完成，得到了美國能源部高級能源研究計劃署、美國能源部先進制造辦公室、美國能源部科學辦公室、美國國家科學基金會等的資助。

后續即將開展的研究工作將立足于北京航空航天大學，服務于國家在航空航天飛行器特種制冷技術的重大需求，結合航空科學與工程學院特色專業（包括飛行器結構強度和人機與環境工程），并與材料科學與工程學院、機械工程及自動化學院以及國內外相關單位合作進行。

文章信息: Huilong Hou, et al. Fatigue-resistant high-performance elastocaloric materials made by additive manufacturing. Science 366, 1116-1121 (2019).

文章鏈接: https://science.sciencemag.org/content/366/6469/1116
DOI: 10.1126/science.aax7616

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