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[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]
netzsch热重分析仪在室温22℃,设定好样品参数之后(其中测量温度在40℃~800℃),点击“开始”,显示温度预加热到设定温度, 炉体加热的指示灯亮,但一直未升上去,一直保持在35℃不能开始测试,是怎么回事呐?
有望提供一种新的治疗癌症的方法2013年08月01日 来源: 科技日报 作者: 陈丹 科技日报讯(记者陈丹)据《自然》杂志网站8月1日(北京时间)报道,纳米钻石可用于量子计算机中处理量子信息,而哈佛大学的研究人员利用纳米钻石的量子效应,将其变为“温度计”,测量出了人类胚胎干细胞内部的温度变化,精确度是现有技术的10倍。通过加入金纳米粒子,研究人员还能够利用激光对细胞的特定部分加热甚至杀死细胞,这有望提供一种新的治疗癌症而不损害健康组织的方法,以及研究细胞行为的新手段。研究论文发表在本周的《自然》杂志上。 在这项最新研究中,研究人员使用纳米线将直径约100纳米的钻石晶体注入一个人类胚胎干细胞中,然后用绿色激光照射细胞,使氮杂质发出红色荧光。当细胞内局部温度出现变化时,红色荧光的强度会受到影响。通过测量荧光的强度,便可以计算出相应的纳米钻石的温度。由于钻石具有良好的导热性,就可以像温度计一样显示出其所处细胞内部环境的即时温度。 研究人员同时还将金纳米粒子注入细胞内,然后用激光来加热细胞的不同部位,加热点的选择和温度升高多少都可由纳米钻石“温度计”来精确控制。“现在我们有了一个可以在细胞水平上控制温度的工具,让我们能够研究生物系统对温度变化的反应。”参与该研究的哈佛大学物理学家彼得·毛瑞尔说。 他指出,基础生物学涉及到的很多生物过程,从基因表达到细胞新陈代谢,都会受到温度的强烈影响,纳米钻石“温度计”将是一个有用的工具。例如,通过控制线虫的局部温度,生物学家可以了解简单有机体的发育。“你可以加热单个细胞,研究其周围的细胞是否会减慢或者加快它们的繁殖率。”毛瑞尔说。 目前也有一些其他测量细胞温度的方法,比如利用荧光蛋白或碳纳米管,但这些测量手段在敏感性和准确度方面都有欠缺,因为其中的一些成分会和细胞内的物质发生反应。毛瑞尔说,他们的纳米钻石“温度计”的敏感度至少提高了10倍,能够检测出细微到0.05开的温度波动。而且其还有改进的余地,因为在活细胞外部,该“温度计”的敏感度已经达到0.0018开的温度波动。 总编辑圈点 这样的“温度计”应该造价不菲,好在钻石是纳米级的。而其能够检测出细微到0.05开的温度波动,让其他测量细胞温度的方法难以望其项背,我们有理由相信,这项技术不仅仅只应用于医学领域。目前晶体管已经达到极小量度,在20或30纳米级别,离原子级别已经不远。然后,最重要的事情就是要理解热量散播和设备电子结构之间的关系,只有掌握这方面的知识,才能真正操控原子级设备,而纳米钻石“温度计”或许能派上大用场。 《科技日报》(2013-08-02 一版)