مواد و ساخت پیشرفته

در سال‌های اخیر، فناوری‌های تبرید سازگار با محیط‌زیست مانند تبرید حالت جامد به دلیل مصرف کم انرژی و قابلیت اطمینان بالا، توجه روزافزونی را به خود جلب کرده‌اند. فن‌آوری‌های تبرید حالت جامد را می‌توان به چهار نوع اصلی بر اساس میدان محرکه خارجی (مغناطیسی، الکتریکی یا تنش)، تبرید مگنوکالریک[1]، تبرید الکتروترمال، تبرید الاستوکالریک[2] و تبرید باروکالریک طبقه‌بندی کرد.

تبرید الاستوکالریک به دلیل تغییرات دما زیاد و هزینه کمتر نسبت به سایر فناوری­های تبرید حالت جامد، در سال­های اخیر توجه زیادی را به خود جلب کرده است. برخلاف اثر باروکالریک که توسط میدان فشار ایزواستاتیک هدایت می‌شود، اثر الاستوکالریک عمدتاً توسط میدان تنش تک­محوری که با تغییر آنتروپی همدما (ΔSm) یا دمای آدیاباتیک (ΔTad) ماده با قدرت میدان تنش خارجی اعمال شده ایجاد می­شود، هدایت می‌شود. استحاله مارتنزیتی و استحاله معکوس ناشی از تنش را می­توان در آلیاژهای حافظه ­دار شکلی[3] (SMAs)، همراه با جذب و انتشار گرمای نهان بالا القا کرد.

اخیراً تغییرات دمای آدیاباتیک زیادی برای آلیاژهای حافظه ­دار شکلی با ترکیب Ni-Ti، Cu-Zn، Ni-Mn و Ni-Fe گزارش شده است. آلیاژهای حافظه­ دار شکلی فرومغناطیسی[4] (FMSMAs) پایه Ni-Mn، مانند آلیاژهای Ni-Mn-In، استحاله­ های مارتنزیتی مغناطیسی و ترموالاستیک را با هم ترکیب می­کنند، که باعث می­شود آنها قادر به هدایت دما و همچنین قادر به قرار گرفتن در معرض یک میدان مغناطیسی برای ایجاد یک کرنش بزرگ باشند. همین مسئله باعث می­شود این مواد از آلیاژهای حافظه ­دار معمولی متمایز شوند.

آلیاژهای حافظه­ دار شکلی فرومغناطیسی Ni-Mn-In می­توانند به نوسانات دمای آدیاباتیک قابل توجهی دست یابند و مقاومت مغناطیسی قابل توجه، اثر مگنوکالریک و رسانایی مغناطیسی گرمایی را با تنش بحرانی کمتر نسبت به آلیاژهای حافظه­ دار شکلی معمولی نشان دهند. از بین روش های مختلف، ذوب قوسی بیشترین استفاده را برای تهیه آلیاژهای حافظه ­دار مغناطیسی Ni-Mn-In دارد. با این حال، آلیاژهای تولید شده به این روش، اندازه دانه بزرگ با شکنندگی بالا و شکست آسان خستگی تحت بار چرخ ه­ای از خود نشان می­دهند که مانع از کاربرد عملی چنین موادی در تبرید الاستوکالریک می­شود. افزودن عناصر آلیاژی دوپینگ برای کاهش اندازه دانه، راه حل مهمی برای تغییر ساختار و بهبود خواص مواد به طور همزمان است.

بر اساس مطالعات اخیر، هنگامی که آهن، مس، کبالت و سایر عناصر فلزی واسطه یا عناصر خاکی کمیاب به آلیاژ Ni-Mn-In اضافه می­ شوند تا مثلاً Ni-Mn-In-Co، Ni-Mn-In-Tb ، Ni-Mn-In-B، Ni-Mn-In-It و Ni-Mn-In-Cu تشکیل شوند، این آلیاژها همچنان تحت استحاله مارتنزیتی و استحاله مغناطیسی در حین خنک شدن قرار می­گیرند. مقدار کمی از عنصر خاکی کمیاب Gd به آلیاژ Ni-Mn-Ga به طور قابل توجهی اندازه دانه را اصلاح می­کند، در حالی که افزودن بیش از حد Gd منجر به رسوب فازهای جدید می­شود که به طور قابل توجهی خواص مکانیکی را بهبود می­بخشد. افزودن آهن به آلیاژ Ni-Mn-In دمای کوری فاز اصلی را مقداری افزایش می­دهد، در حالی که دمای مارتنزیت به طور قابل توجهی افزایش می­یابد. این نشان می­دهد که تغییر مارتنزیت و دمای استحاله مغناطیسی به طور مستقیم با تغییر غلظت الکترون (e/a) زمینه ناشی از تشکیل فاز γ مرتبط است.

در تازه ترین تحقیقات، ریزساختار، استحاله مارتنزیتی، خواص مکانیکی و اثر الاستوکالریک آلیاژهای Ni-Mn-In با آهن دوپ شده به طور سیستماتیک مطالعه شده است.

منبع:

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0304885322007910