肖飞，金学军
（上海交通大学材料科学与工程学院，上海200240）
摘要：固态弹热制冷通过固固相变潜热的交替吸收和释放实现制冷，具有能效高、温变较大和无制冷剂等特点，是非气液压缩制冷首选技术.本文概述弹热效应的制冷机理及测量方法，归纳总 结镍钛基、铜基、铁基和哈斯勒型形状记忆合金体系作为弹热制冷材料的研究现状、潜力和现尚存问题，并对形状记忆合金弹热制冷材料的应用前景进行展望，以期为固态弹热制冷技术的推广应用提供参考.
关键词：固态弹热效应：形状记忆合金：马氏体相变
HowDoesDeformationofSolid Material InduceRefrigeration?
XIAO Fei.JIN Xuej
(School of Materials Science and Engineering Shanghai Jiao Tong University Shanghai 200240 China)
Abstract: The solid-elastocaloric refrigeration effect characterized by high energy efficiency largetemperature change and no refrigerant needed. is the preferred candidate of the non gas-liquidpression refrigeration technology which takes advantage of the alternate absorption and the release oflatent heat of solid-solid phase transformation to realize refrigeration. This paper describes the mechanism and test methods of the elastocaloric effect and sumumarizes the research progress and problems in the Ti-Ni-based Cu-based Fe-based and Heusler-type shape memory alloy as elastocaloric material. Moreover it anticipates the research directions of the elastocaloric refrigeration materials based on the shape memoryalloy so as to enhance the application of the solid-elastocaloric refrigeration technology.
Key words: solid-elastocaloric effect: shape memory alloy: martensitic transformation
追切需求.Calm于2008年提出探索第四代制冷技术，其目标为达到温室气体低排放或零排放，且具景下，固态制冷技术被提出并得到迅速发展.其中， 备更优异的热性能和瞬时响应能力.在此要求与背冷技术，存在能耗高、噪声大和产生温室气体等缺放实现制冷：未施加应力前合金处于母相（ParentPhase）状态，当施加的应力超过合金相变的临界应
1科学背景及意义
15%，且随着经济发展和全球变暖，该比例将逐渐增 制冷所消耗电力占全球总电力的比例已超过点.因此，开发新型制冷技术已成为当今社会发展的
高其力学性能仍是该领域的重点研究方向.
力时，母相开始向马氏体相（MartensitePhase）转弹热效应未来需要解决的重点问题.哈斯勒型形状变.固态弹热制冷因单轴加载方式简单和制冷幅度记忆合金具备潜热和煸变大等优点，但哈斯勒合大，而成为近期新型制冷技术研究的热点.2014年，金存在本征脆性的问题.因此，如何降低其脆性，提 美国能源部发布的一份关于新型制冷技术的评估报告指出，弹热效应制冷是17种未来非气液压缩制冷技术中最具有发展前景的技术
参考文献：
[1] COULOMB D DUPONT J L、 PICHARD A The role of refrigeration in the global economy [R].Malesherbes: International Institute of Refrigeration [2 ] CALM J M. The ncxl generation of refrigerants: 2015 Historical revriew considerations and outlook [J].International Journal of Refrigeration 2008 31 ( 7) :[3 ] GOETZLER W ZOGG R YOUNG J. eraf Energy savings potential and RD&.D opportumities for nonvapor-presion HVAC technologies [R]. Burl-[4 ] CUI J. WU Y. MUEHLBAUER J. er af. Demonr ington: Navigant Consulting Incorporated 2014 stration of high efficiency elastocaloric cooling withlarge T using NTTi wires [J]. Applied Physies Let- ters 2012 101(7) 1175-1178 [5 ］ CHEN H. XIAO F LIANG X. er af. Stable andlarge superelasticity and elastocaloric effect in nano- crystalline Ti-44Ni-5Cu-1A1 (at% ) alloy J].AetaMaterialia- 2018. 158 : 330-339 [6 ] MIYAZAK1 S OTSUKA K. Development of shapememory alloys[J]. ISUJ International 1989 29(5) : 353-377.[ 7 ] MAKI T. TAMURA L On the thin plate martensitein ferrous alloys and it's various propertiesJJ. Bulle-237. tin of Japan Institute of Metals 1984 23(4>: 229-[8 ] LIU J. GOTTSCHALL T. SKOKOV K P. ef af.Giant magnetocaloric effect driven by structural tran- sitions[J]. Nature Materials. 2012 11(7> : 620-626
2研究进展及展望
利用形状记亿合金的弹热效应实现制冷的技术具有环境友好、制冷效率高的优点，应用前景良好，是形状记忆合金领域近十年来的研究热点.作为弹热制冷材料，形状记忆合金需要具备优异的制冷效 率、良好的力学性能以及抗疲劳性能.固态弹热制冷的材料主要集中在镍钛基、铜基、铁基和哈斯勒型等几种主要形状记忆合金体系.其中，镍钛基形状记忆合金具有相变路径丰富、加工性能良好、抗疲劳性能优异和制冷效率高等优点，是最有望率先实用化的 弹热制冷用形状记合金通过调控晶粒尺寸、析出物以及相变耦合方式，进一步提高该系列材料的制冷效率和抗疲劳性能仍值得关注.与镍钛基形状记合金相比，铜基形状记忆合金具备成本低、导电导热性良好等优点，但其弹性各向异性较高，多晶材 料抗疲劳性能不佳.因此，通过低成本方式获得大尺寸单晶或几晶组织以降低晶界影响，或者通过定向凝固等方法控制材料的织构是提高铜基形状记忆合金抗疲劳性能，推进其弹热制冷商用化显需解决的 问题.铁基形状记忆合金中有望展现明显弹热效应的合金体系为 Fe-Pd/Rh、Fe-Ni-Co-Al-Nb/Ta-B 和Fe-Mn-Al-Ni等.但 Fe-Pd/Rh合金较高的成本限制了其大规模应用：Fe-Ni-Co-AI-Nb/Ta-B合金Fe-Mn-Al-Ni合金的抗疲劳性能有待进一步评估. 对于制备工艺要求苛刻，短期内较难实现商用化：因此，开发新型的低成本、低滞后且具有优异抗瘦劳性能的铁基形状记忆合金，仍是铁基形状记忆合金
作者简介肖飞，副教授，硕士生导师，国家优秀青年科学基金获得者，上海市浦江人才获得者，日本学术振兴会（JSPS）学者
