《Science》：北航侯慧龙3D打印镍钛合金应力制冷材料

来源：材料科学与工程公众号，作者：侯慧龙

2019年11月29日，北航侯慧龙副教授以第一作者身份在世界顶级期刊《Science》发表了最新研究成果，文章标题为《Fatigue-resistant high-performance elastocaloric materials made by additive manufacturing》。论文发现增材制造应力制冷材料可以实现对具有长寿命、高性能的金属制冷剂进行独特的微观结构控制。抗疲劳、高性能镍钛合金的获得展示了增材制造在优化固态制冷技术的潜力。感谢侯慧龙老师为我们导读本文。

文章链接:
https://science.sciencemag.org/content/366/6469/1116

空调和制冷每年消耗全世界约五分之一的电力资源。更高效、更环保的制冷技术在最近十几年发展迅速 (Science 311, 1270-1271 (2006); Nature Materials, 13, 439-450 (2014); Science 355, 1062-1066 (2017); Nature 567, 506-510 (2019))。固态制冷技术（包含磁热制冷、机械热制冷和电热制冷及其他）近年来引起关注。

应力制冷（或称弹热制冷，是机械热制冷的形式之一）是通过外应力场的施加和移除可逆地改变材料的晶体结构对称性以引起材料放热和吸热。应力制冷技术在2012年发明于美国马里兰大学，因其巨大的潜热效能，在2014年美国能源部统计的取代蒸气压缩式制冷的17种可选技术中居首。同时，应力制冷样机和应力蓄热热泵也在不断开发，以期接近实际应用。然而，应力制冷材料的热力滞后会约束制冷系统的效率，并且其对制冷性能的长期稳定性影响尚未得到解决。

增材制造镍钛合金能够制造出高效热力学性能、超窄滞后的应力制冷材料。通过精巧设计的“工艺-微结构-属性-性能”策略，利用粉末激光定向能量沉积技术中的局部熔融和快速冷却的特点，调节元素粉末的比例达到近共熔成分混合，实现在二元合金基体中镶嵌富镍的金属间化合物的纳米复合微结构。所获得的应力制冷材料在准线性应力-应变行为中展现出极小的应力滞后，相比于通常的情况其材料效率提高了4到7倍，并且在一百万次循环中拥有可重复的应力制冷性能。

图一：A. 粉末激光定向能量沉积技术示意图；B. 镍钛合金相图；C-H. 作为范例展示，获得了柱状、管状和蜂窝状结构；F. 等温加载时各材料行为的对比；G. 绝热加载时各材料行为的对比；H. 各材料的滞后特性和效率的对比。

先进的原位加载同步X射线衍射表征手段辅以微观力学模型揭示了二元合金基体和富镍金属间化合物的相互作用机制。基于实验观测创建了应力制冷材料输入能量耗散率与功能失效循环之间的唯象相关性，并且初步的实验统计显示该相关性可普适于固态制冷材料，首创性地为长寿命材料的制造、选取和工程设计提供科学依据，对构筑高效、稳定的固态制冷技术具有重要的科学与技术意义。

图为增材制造抗疲劳、高性能应力制冷材料的示意图。（右上）粉末送料机用以提供元素粉末并加以混合，形成近共熔成分；激光在聚焦时提供能量；（中间）混合的元素粉末在激光的作用下熔融，形成局部熔池；随着局部熔池的不间断移动，构件的不同部位依次形成；（背景）作为范例展示，蜂窝状构件的形状和高度依次形成。

近日，这项工作发表在《Science》上。该工作是由北航2019年9月引进的青年教师侯慧龙以第一作者身份在美国马里兰大学与其合作者完成，得到了美国能源部高级能源研究计划署、美国能源部先进制造办公室、美国能源部科学办公室、美国国家科学基金会等的资助。后续即将开展的研究工作将立足于北京航空航天大学，服务于国家在航空航天飞行器特种制冷技术的重大需求，结合航空科学与工程学院特色专业（包括飞行器结构强度和人机与环境工程），并与材料科学与工程学院、机械工程及自动化学院以及国内外相关单位合作进行。