自动相变点测量系统

[size=16px][color=#ff0000]摘要：形状记忆合金（SMA）是一种先进的金属材料，其物理和机械性能本质上依赖于温度。为了快速和低成本的实现SMA相变温度和热滞后性能的测试表征，基于更灵敏的电阻温度依赖关系，本文提出了采用帕尔贴TEC加热制冷装置结合四电极电阻测量的解决方案。与传统的DSC法相变温度测试相比，这种帕尔贴形式的电阻温度法具有更高的灵敏度和快速变温速度，且被测样品装配简单，更适合MEMS的热表征，并且比DSC更具有成本优势。[/color][/size][align=center][size=16px] [img=TEC半导体加热制冷技术在形状记忆合金相变温度测量中的应用,550,320]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/05/202305141453488440_9957_3221506_3.jpg!w690x402.jpg[/img][/size][/align][size=18px][color=#ff0000][b]1. 背景[/b][/color][/size][size=16px] 形状记忆合金（Shape Memory Alloys：SMA）是一种先进的金属材料，其物理和机械性能本质上依赖于温度。这种温度依赖性使得SMA作为致动器和/或传感器在工程应用中有着巨大潜力，因此需要研究作为温度函数的SMA行为，这对于开发基于SMA的热机械致动器至关重要。[/size][size=16px] 由于SMA中的相变是热触发，其行为与温度密切相关，任何的温度变化都会伴随着热性能和机械性能的显著变化，因此可以应用不同的技术来确定SMA中的相变温度。典型的相变温度测量使用的热分析技术主要包括差示扫描量热分析法（DSC）、差热分析法（DTA）和动态力学分析法（DMA），这些技术都有相应的商业化设备。然而，这些设备高昂的采购、安装和维护成本使得预算有限的机构无法实施。此外，这些设备需要使用消耗品，如载气（DSC）和冷却液（DMA中的液氮）。在SMA应用（如微致动器）的开发中，购买和专门使用这种商业设备来确定材料的相变温度可能会很昂贵，更不用说设备的使用率并不高。[/size][size=16px] 针对上述情况，特别是根据客户的要求，希望在尽可能短的测试时间内和尽可能低的成本下，从定性和定量的角度寻找非商业的替代测试方法和测试仪器以获得合适的物理信息来确定形状记忆合金致动器的相变温度，为此本文提出了相应的解决方案。[/size][size=18px][color=#ff0000][b]2. 解决方案[/b][/color][/size][size=16px] 对于形状记忆合金这类合金材料，其电阻值与温度有强烈的依赖性，大量研究表明通过测量电阻对温度的这种依赖性在一些影响晶格组织的结晶现象时往往会更加敏感，也就是说通过测量温度变化过程中的电阻变化来确定SMA相变温度，往往会比单纯测量温度和热流形式的DSC更加的灵敏。为此，本解决方案的核心是给SMA样品加载温度，并同时测量SMA样品电阻随温度的变化，由此来形状记忆合金的相变温度和热滞后。[/size][size=16px] 另外，形状记忆合金的相变温度普遍不高，一般都在-50~150℃温度范围内。为了在此温度范围内实现样品的温度变化，加热装置需具备以下几方面的功能：[/size][size=16px] （1）温度控制要具有很高的控制精度和速度，加热温度能很快的传递给被测样品，并同时能使被测样品具有很好的温度均匀性。[/size][size=16px] （2）温度变化要具备可控速率的线性升温和降温能力。[/size][size=16px] （3）加热装置简单，并便于安装被测样品和便于测量样品的电阻值。[/size][size=16px] 为满足上述加热装置的要求，本文提出的解决方案采用了TEC帕尔帖热电技术，即采用帕尔帖片对被测样品提供-50~150℃的温度变化，由此组成的测量装置结构如图1所示。[/size][align=center][size=16px][img=01.形状记忆合金相变温度测量装置结构示意图,690,226]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/05/202305141454517414_9874_3221506_3.jpg!w690x226.jpg[/img][/size][/align][align=center][size=16px][color=#ff0000][b]图1 形状记忆合金相变温度测量装置结构示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 如图1所示，TEC模组的温度控制采用了一套TEC温度控制装置，包括TEC电源换向器和高精度PID可编程控制器，由此可实现TEC模组表面温度按照设定的程序曲线进行快速升温和降温。TEC模组的底面安装有散热器，图1中并未标出，为了提高散热效率一般采用循环水冷却散热器。[/size][size=16px] 为了测量SMA的相变温度和考核其稳定性，需要使用相同的加热和冷却速度来进行热循环测试，这就需要TEC模组的温度控制具有较高的精度和重复性。为此，本解决方案采用了高精度PID可编程控制，完全可以满足SMA相变温度测试的需要。[/size][size=16px] 如图1所示，被测SMA样品放置在TEC模组的表面，为减小接触热阻和保证温度均匀性，样品与TEC之间涂覆有相应的热界面材料。样品表面的温度由焊接在其上的热电偶进行测量，此热电偶作为控温热电偶，也可以同时再焊一根热电偶作为测温热电偶使用。SMA样品电阻测量采用了四电极法，即在样品上焊接四根铜电极分别作为内电极和外电极，四根电极连接到微欧计进行电阻测量，由此可以通过采集测温热电偶的温度数据和微欧计的电阻数据得到SMA样品的电阻温度变化曲线，并最终得到SMA样品的相变温度和热滞后性能。[/size][size=16px][color=#ff0000][b]3. 总结[/b][/color][/size][size=16px] 本解决方案适用于形状记忆合金的电阻-温度特性曲线，并由此得到相应的相变温度和热滞后性能，帕尔贴模块能够在-50℃和150℃之间进行热循环，温度控制系统能够提供良好的冷却/加热响应。同时，本解决方案还具有以下特点：[/size][size=16px] （1）与相变温度的DSC表征相比，带有帕尔贴模块的电阻温度测量装置表现出更良好的性能，电阻对相变的响应更敏感和快速。[/size][size=16px] （2）帕尔贴模块具有更快和更准确的变温速度，这能够在使用不同的材料活化速率（加热/冷却速率）时对SMA的基本行为进行研究，这与典型的其他热分析技术相比，在具有同样的准确性和可靠性的同时，更能提供所需要的加热/冷却速度。[/size][size=16px] （3）采用帕尔贴模块形式的相变温度测量，其简单的结构可允许在有或没有机械应力的情况下表征铸态和纹理形状记忆合金，这在SMA微机电系统（MEMS）的热表征中有着重要作用。[/size][size=16px] （4）珀耳帖表征设备比典型的热技术成本低得多，而且这种TEC帕尔贴加热制冷方式还可用于形状记忆合金其他物理量的测量，如比热容、热导率和热膨胀系数测量。[/size][align=center][size=16px][b]~~~~~~~~~~~~~~~~[/b][/size][/align]

美国德雷克塞尔大学的研究人员最近研制出一种新型相变混凝土材料，用这种材料铺设的道路可以在冬季具有自动融雪化冰功能，他们的秘密就是在道路混凝土混合物中加入一点石蜡。[align=center][img=,600,400]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/11/201711052058_01_3384_3.jpg!w600x400.jpg[/img][/align] 由美国德雷塞尔大学助理教授Yaghoob Farnam博士领导的研究团队最近在“水泥与混凝土复合材料”期刊上发表的一篇论文中，描述了采用石蜡油（一种典型蓄热相变材料）使混凝土储存和释放热量以熔化路面积雪方面所做的研究工作。[b][color=#ff0000]1. 目前国内外常用化雪除冰措施及存在的问题[/color][/b] 目前国内外常用的化雪除冰措施一般是在下雪之前对路面进行预先撒盐，这有助于防止路面结冰和下雪后留出一些时间来进行除雪，有时也会在盐中加入沙子。通常配制高浓度的盐溶液进行路面喷洒，主要使用氯化钠，有些地方还使用氯化钙或氯化镁。下雪后通常会使用干盐和沙子进行路面喷洒，同时也会用铲雪车进行快速清理。[align=center] [img=,600,301]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/11/201711052058_02_3384_3.jpg!w600x301.jpg[/img][img=,600,329]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/11/201711052058_03_3384_3.jpg!w600x329.jpg[/img] [/align] 大量使用盐首先不利于环境，其次是对人行道或道路影响，它使周围土壤咸性并伤害植被。在路面上的盐会使混凝土或沥青变质冰产生冻融破坏和路面剥落问题，这使得政府部门每年花费大量经费修复或重建路面，寒冷地区的大部分路面破坏来自于水冻结以及大量使用盐。[align=center][img=,600,449]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/11/201711052100_01_3384_3.jpg!w600x449.jpg[/img][/align] 在比较寒冷地区，环境非常恶劣，寒冷的天气、冻结和解冻循环和大量使用除冰剂对道路产生很强的破坏性。在寒冷温度下大多数材料变得更脆，很容易破碎或损坏，如果再把冻融的冰水浇在材料上，这将更会加重材料损坏。 另外，当水结成冰后会使得自身体积膨胀9%，如果水渗入路面然后结冰，体积膨胀会造成内部压力而破坏路面。另外大量使用的盐会与路面材料产生化学反应并导致材料退化，这方面已经做了大量研究工作证明了盐是如何破坏混凝土路面。这就是为什么在冬天道路看起来会退化得更快，春天到来后路面上似乎总是有更多的坑洼的原因。[align=center][img=,600,442]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/11/201711052100_02_3384_3.jpg!w600x442.jpg[/img][/align] [b][color=#ff0000]2. 破损道路修补面临的困境[/color][/b] 如果没有资金进行大规模的基础设施改进，国内外基本都采用“快速修补”这一无奈措施来处理基础设施日益恶化的情况。 之所以称之为无奈之举，是因为尽管可以对破损道路打补丁，这些补丁也会起到道路平坦的作用，但所面临的问题是需要中断交通并快速完成修复和打补丁。通常将道路中断后，道路修复的唯一时间段是在夜间的几个小时内。这将带来另一个严峻问题，就是在这个时间段打补丁并不能做到补丁合理的填补和粘接，这就是为什么我们总是年复一年在同一地点看到损坏的原因。 尽管试图研究提高混凝土路面质量，设法缩短路面修复施工时间，这都是交通和交通管理部门所追求的目标，毕竟道路封闭的时间越长管理部门会面临更多的指责，但这不是一个长期正确有效的解决方法。[b][color=#ff0000]3. 具有自动融雪除冰功能的新型道路材料[/color][/b] 为了解决冬季交通所面临的严峻挑战，国内外研究人员一直在寻找一种更好的冬季道路融雪除冰方法。 美国德雷塞尔大学Yaghoob Farnam博士领导的研究小组与普杜大学和俄勒冈州立大学的研究人员合作，首先证明使用相变材料作为环境友好的除雪替代品可以与标准的撒盐和铲雪方法一样有效。 研究团队将具有蓄热和放热功能的相变材料灌装进多孔轻质骨料或嵌入式管道再复合到混凝土中，在冷却过程中相变材料从液体转变为固体并释放出热量用于融化冰雪，由此抑制路面或桥面上冰雪的形成，从而可以减少或消除对现有除雪方式的需求、节省资金和减少对环境的影响。 研究团队选用石蜡油做为相变材料。石蜡油是蜡烛、蜡抛光剂、化妆品和防水化合物中的常见物质，因为它是有机物且应用广泛、化学稳定性好并相对便宜，所以它们是这种技术改良的首选材料。与所有相变材料一样，石蜡油在物理状态发生变化时会释放出热能，这意味着随着温度下降，油开始凝固，通过熔化潜热释放能量。这意味着石蜡油可以设法置入到路面上，使道路路面具有融雪除冰能力，从而在下雪时或需要除冰时路面具有一定温度。 为了测试相变材料及其构件融化冰雪的能力，研究团队制作了一组混凝土板，其中一块混凝土板包含石蜡填充管、一块已灌装石蜡的多孔轻质骨料的混凝土板，以及一块无石蜡灌装的多孔轻质骨料做为参比的混凝土板。每块混凝土板都被密封在一个冻融室内，然后用大约125mm厚实验室制造的“雪”进行覆盖。[align=center] [img=,600,398]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/11/201711052100_03_3384_3.png!w600x398.jpg[/img][/align] 冻融室内的温度保持在0～6℃之间，两块石蜡处理过的混凝土板能够在25小时内完全融化雪，而参考混凝土板上仍然冻结着积雪，包含石蜡填充管的混凝土板要比灌装石蜡的多孔轻质骨料混凝土板更快一点的将雪融化。研究团队认为这是因为管子内部的石蜡能够更快速凝固和释放出能量，同时因为管径非常规则，而骨料孔隙的直径大小不一。 但在第二次实验中，先将冻融室内的环境温度降低至冰冻然后再覆盖积雪，此时封装了石蜡骨料的混凝土板就要比嵌入石蜡管的混凝土板化雪更有效，这是因为毛细管孔隙压力延迟了石蜡的冻结，从而使其在更长时间内释放热量。当需要融雪或除冰时，混凝土会受到各种温度变化的影响，多孔轻质骨料中的不同孔径尺寸会使得石蜡逐渐放热，这会更有利于融雪。因此研究团队认为使用多孔轻质骨料结构可能是更具有潜质的方法，因为它很容易进行工程实施，并且可以覆盖不同地区化雪除冰的环境条件，尤其是特别寒冷地区桥梁和道路上的融雪或除冰。[b][color=#ff0000]4.需要进一步开展的研究工作[/color][/b] 这种可自动熔化道路冰雪的基础设施技术的首要用途之一可能是在机场，机场跑道上要求不能存在积雪和冰面，这在冬天来说是至关重要，也是一个永久性的挑战。做为加热型机场路面项目之一，美国联邦航空局已经开始支持此项可自动熔化道路冰雪的复合相变材料研究工作。 美国德雷塞尔大学Yaghoob Farnam博士领导的研究团队认为在此项目研究中还需进一步开展的工作包括以下几方面的内容： （1）尽管相变材料石蜡的热性能可以采用差热扫描量热技术进行测试，但差热扫描量热技术测试样品非常小，对加入石蜡后的大尺寸混凝土非均质材料的热性能则无法测试，不能准确量化混凝土板吸热和放热能力，由此无法准确设计真正工程用混凝土制作的工艺参数，还需要开发新型大尺寸工程材料的量热测试技术，以实现能直接测量各种结构形式的相变复合材料构成的混凝土。 （2）需要进行更深入的研究来进一步了解影响混凝土施工的其他因素，包括含有相变材料时混凝土老化和硬化性能以及不同地区相变材料的热性能。 （3）还需要更好地了解它对混凝土路面耐久性、防滑性和长期稳定性的影响。