Экологичный «заменитель» фреона: ученые придумали, как сделать охлаждающий сплав прочнее и эффективнее

Значительный технологический прогресс повышает требования к различным сферам промышленности. В связи с этим ученые уделяют особое внимание поиску альтернатив традиционному парокомпрессионному охлаждению, где в качестве хладагента используются фреоны. Их минус — в разрушении озонового слоя, ускорении глобального потепления и высоком энергопотреблении.

Альтернативой является твердотельное эластокалорическое охлаждение: рабочий элемент (деталь) под воздействием механической нагрузки сначала деформируется, а после разгрузки возвращается к исходному размеру и охлаждается. Снижение температуры в этом случае связано с поглощением тепла за счет изменения внутренней структуры материала при растяжении либо сжатии. Такой принцип охлаждения экологически безопасен, высокоэффективен и прост в реализации.

Перспективными кандидатами для применения в эластокалорическом охлаждении считаются сплавы Гейслера NiFeGa(Co). Они уже успешно зарекомендовали себя в качестве приводов, сенсоров и демпферов за счет функциональных свойств — таких как эффект памяти формы и сверхэластичность. Их изучением в последние годы активно занимается коллектив лаборатории физики высокопрочных кристаллов (заведующий Юрий Чумляков).

Исследования сплавов NiFeGa(Co) показали, что их основным преимуществом является эластокалорический эффект со стабильной величиной охлаждения в широком интервале рабочих температур – до 300°С. Немаловажными также являются высокая циклическая стабильность (до 105 циклов) и эффективность охлаждения.

— Таковы результаты исследований, проведенных на монокристаллах NiFeGa(Co). Но применение монокристаллов в промышленных масштабах ограничено в связи с трудностью и дороговизной производства. Поэтому большое внимание наша лаборатория уделяет исследованию поликристаллов. В частности, речь идет о модификации их структуры, которая позволяет избежать растрескивания при нагрузке, — рассказывает руководитель проекта, главный научный сотрудник лаборатории физики высокопрочных кристаллов СФТИ ТГУ, доктор физико-математических наук Елена Панченко.

Под руководством Елены Панченко в рамках гранта Российского научного фонда № 23-19-00150 в лаборатории ведется работа по созданию поликристаллов с улучшенными механическими и эластокалорическими свойствами.

По итогам работы над проектом впервые на поликристаллах сплава NiFeGaCoB получен значительный охлаждающий эффект в широком интервале температур — до 125°С — с величиной охлаждения до 9,4°С. Ранее такие значения наблюдались лишь для монокристаллов данных сплавов. Публикации по теме были представлены в журнале Applied Physics Letters (Q1).

— Этих результатов удалось добиться за счет комплексной оптимизации 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, — приводит подробности инженер-исследователь лаборатории физики высокопрочных кристаллов СФТИ ТГУ Ирина Стешенко.

Кроме того, ученые впервые представили результаты по применению на поликристаллических материалах специальной термомеханической обработки — старения в мартенсите под нагрузкой. Она приводит к снижению величины гистерезиса и напряжений в рабочем цикле, что позволяет минимизировать потерю энергии и упростить устройство привода при использовании в тепловых насосах и твердотельных холодильниках.

На основании этого будут предложены рекомендации по модификации структуры поликристаллических материалов для их применения в эластокалорическом охлаждении с высокой эффективностью.

Результаты исследований представлены на международных профильных конференциях – VI международном научном семинаре «Дни калорики в Челябинске: функциональные материалы и их приложения» и VI международной конференции «Сплавы с памятью формы» (Москва).