Ученые СФТИ ТГУ улучшили качества сплава — «заменителя» фреона

Структуру вещества, которое может стать альтернативой фреону, — поликристаллы сплава NiFeGa (Co), усовершенствовали, улучшив его эффективность и прочность, ученые Сибирского физико-технического института (СФТИ) им. акад. В. Д. Кузнецова Томского государственного университета (ТГУ), 23 октября сообщает пресс-служба университета.

Физики СФТИ, исследуя сплавы Гейслера, перспективные для высокоэффективного и экологически безопасного охлаждения при использовании их в конструкциях холодильников и тепловых насосов, модифицировали сплав NiFeGa (Co), добавив к нему бор.

Новый сплав NiFeGaCoB показал лучшие характеристики охлаждающего эффекта для широкого интервала температур, вплоть до 125 °С. Выполненная исследователями специальная термомеханическая обработка этого сплава повысила его прочность и пластичность, которыми эти поликристаллы в обычном состоянии не обладают.

Полученные исследователями результаты позволяют повысить качество и одновременно удешевить производство материала для тепловых насосов, холодильников и охлаждающих устройств для электроники, в том числе для компьютеров и мобильных телефонов.

Результаты исследований нового сплава были представлены в статье «Значительный эластокалорический эффект в широком диапазоне температур в поликристаллическом сплаве (Ni₅₁Fe₁₈Ga₂₇Co₄)₉₉.₇B₀.₃» (Significant elastocaloric effect over a wide temperature range in a polycrystalline ((Ni₅₁Fe₁₈Ga₂₇Co₄)₉₉.₇B₀.₃ alloy), опубликованной в журнале Applied Physics Letters (Q1).

А также на профильных конференциях — VI международном научном семинаре «Дни калорики в Челябинске: функциональные материалы и их приложения» и VI международной конференции «Сплавы с памятью формы», проходившей в Москве.

Поскольку было установлено, что фреоны разрушают озоновый слой в атмосфере, способствуя глобальному потеплению, а компрессионный метод охлаждения, в котором их используют, требует больших затрат энергии, ученые ищут им альтернативу.

Такой альтернативой является твердотельное эластокалорическое охлаждение, где рабочий элемент сначала деформируется под воздействием механической нагрузки, а после ее снятия возвращается к исходному размеру. При этом он охлаждается за счет поглощения тепла в процессе изменения внутренней структуры материала. Этот процесс абсолютно экологически безопасен, высокоэффективен и достаточно прост для реализации.

Сплавы Гейслера состава «никель-железо-галлий-кобальт» [NiFeGa (Co)], обладая эффектом памяти формы и сверхэластичностью, в настоящее время уже успешно используются в приводах, сенсорах и демпферах. В СФТИ изучение их свойств ведут специалисты лаборатории физики высокопрочных кристаллов (заведующий Юрий Чумляков).

В результате проведенных исследований сплавов NiFeGa (Co) было установлено, что их основное преимущество — эластокалорический эффект со стабильной величиной охлаждения в широком интервале рабочих температур — до 300 °С. Кроме того, они обладают высокой циклической стабильностью (до 105 циклов) и эффективностью охлаждения.

Руководитель проекта, главный научный сотрудник лаборатории физики высокопрочных кристаллов СФТИ ТГУ, доктор физико-математических наук Елена Панченко пояснила, что при таких преимуществах NiFeGa (Co) использование этих монокристаллов в промышленности тем не менее неэффективно из-за трудности и дороговизны производства.

«Поэтому большое внимание наша лаборатория уделяет исследованию поликристаллов. В частности, речь идет о модификации их структуры, которая позволяет избежать растрескивания при нагрузке», — отметила Панченко.

Под ее руководством в рамках проекта РНФ № 23-19-00150 «Разработка научных основ конструирования многокомпонентных двухфазных (β+γ)-сплавов Гейслера на основе модификации зеренной структуры и инжиниринга границ зерен для создания эффективных силовых приводов и твердотельных холодильников» в лаборатории проводятся исследования по созданию поликристаллов с улучшенными механическими и эластокалорическими свойствами.

Сотрудники лаборатории добились того, что впервые поликристаллы сплава NiFeGaCoB показали значительный охлаждающий эффект в широком интервале температур — до 125 °С, и величину охлаждения до 9,4 °С. Ранее такие значения можно было получить только на монокристаллах данных сплавов.

Инженер-исследователь лаборатории физики высокопрочных кристаллов СФТИ ТГУ Ирина Стешенко рассказала, что эти результаты коллектив получил, проведя комплексную оптимизацию структуры поликристаллов.

«Она включает микролегирование бором — то есть добавление легирующего элемента в очень малом количестве. К примеру, в нашем сплаве содержание бора составляет всего 0,3%. Также в полученном материале была сформирована текстура, при которой зерна ориентированы вдоль определенного направления, позволяющего получить необходимые параметры эластокалорического эффекта», — уточнила Ирина Стешенко.

Также участники проекта впервые получили результаты применения специальной термомеханической обработки поликристаллических материалов — старения в мартенсите под нагрузкой. После такой обработки снижаются величины гистерезиса и напряжений в рабочем цикле, что позволяет значительно снизить потерю энергии и упростить устройство привода при использовании этих материалов в тепловых насосах и твердотельных холодильниках.

В завершение этого проекта исполнители разработают рекомендации по модификации структуры поликристаллических материалов, позволяющие их использовать для высокоэффективного эластокалорического охлаждения.