Neuartiges, langlebiges Kupfer

Durch einen Wärmebehandlungszyklus entwickelten die Forscher eine bruchfeste Legierung, die den für die elastokalorische Kühlung erforderlichen hohen zyklischen Belastungen standhält

Wissenschaftliche Universität Tokio

Bild: Forscher der Tokyo University of Science haben eine haltbarere Legierung entwickelt, indem sie sie über die Phasengrenze hinweg wiederholtem Erhitzen und Abkühlen unterzogen, was zu größeren Korngrößen und weniger Korngrenzen führtmehr sehen

Bildnachweis: Kenjiro Fujimoto von TUS, Japan

Der elastokalorische Effekt ist ein Phänomen, bei dem ein Material eine Temperaturänderung zeigt, wenn es einer mechanischen Belastung ausgesetzt wird. Die Temperaturänderung erfolgt aufgrund eines Entropieunterschieds, der aus einer martensitischen Umwandlung resultiert, die mit einer Änderung der Kristallstruktur des Materials unter Belastung einhergeht. Ein analoger Effekt ist zu beobachten, wenn das Gummiband gedehnt wird: Seine Polymerketten ordnen sich geordnet an, wodurch seine Entropie abnimmt. Dies führt dazu, dass das Gummiband Wärme an die Umgebung abgibt und sich erwärmt. Beim Loslassen des Gummibandes geschieht das Gegenteil und das Gummiband kühlt ab.

Wie Gummibänder können auch metallische superelastische Formgedächtnislegierungen (SMAs) den elastokalorischen Effekt zur Kühlung nutzen. SMAs auf Kupferbasis (Cu), bestehend aus Cu, Aluminium (Al) und Zink (Zn), sind aufgrund ihrer geringen Kosten und des geringen Spannungsbedarfs zum Auslösen des Temperaturanstiegs besonders vielversprechend. Allerdings leiden Cu-Al-Zn-SMAs unter zyklischen Ermüdungsproblemen, da ihre groben Kristallkörner und zahlreichen Korngrenzen anfällig für Brüche durch wiederholte Ausdehnung und Kontraktion sind.

In einer am 31. März 2023 im Journal of Physics: Energy veröffentlichten Studie haben Professor Kenjiro Fujimoto von der Tokyo University of Science, Professor Ichiro Takeuchi von der University of Maryland zusammen mit Forschern von Maryland Energy & Sensor Technologies, USA, eine Studie entwickelt ein äußerst langlebiges Cu-Zn-Al-SMA, das einer hohen Anzahl zyklischer Belastungen standhält. „Wir haben nach Bedingungen gesucht, um das Kornwachstum der 68Cu-16Al-16Zn-Legierung zu fördern und so ihre elastokalorischen Eigenschaften zu verbessern“, erklärt Prof. Fujimoto die Motivation hinter ihrer Studie.

Kürzlich berichteten sie, dass die Korngröße des Materials zunahm, wenn Cu-Al-Mn-Legierungen wiederholtem Erhitzen und Abkühlen über die Misch- und Hochtemperaturphase hinweg ausgesetzt wurden. Fasziniert von diesen Erkenntnissen beschloss das Team zu untersuchen, ob ähnliche Phasenumwandlungen die Eigenschaften von Cu-Zn-Al-Legierungen verbessern könnten.

Zur Herstellung der Cu-Al-Zn-Legierungen kombinierten die Forscher Cu, Al und Zn in einem Kohlenstofftiegel. Sie schmolzen die Metalle bei niedrigem Druck, um die Verflüchtigung von Zink zu unterdrücken. Sobald die Legierung vorbereitet war, kühlten die Forscher sie ab und walzten sie mit drei verschiedenen Walzgeschwindigkeiten (0 %, 67 % bzw. 83 %) zu 7 mm dicken Barren. Anschließend wurden die Phasengrenztemperaturen der Legierung mittels Hochtemperatur-Röntgenbeugung bestimmt. Dabei zeigte sich, dass die Phasengrenze zwischen der Mischphase und der Hochtemperaturphase zwischen 700 °C und 750 °C liegt. Darauf aufbauend erhitzten und kühlten die Forscher die Legierung wiederholt auf zwischen 500 °C und 900 °C.

Alle dem Wärmebehandlungszyklus unterzogenen Barren zeigten eine Zunahme der Kristallkorngröße, wobei die maximale Zunahme bei gewalzten Legierungen mit einer Rate von 67 % beobachtet wurde. Die Korngröße des reinen Barrens betrug 2,21 mm, die durchschnittliche Korngröße des wärmebehandelten Barrens in dieser Gruppe stieg jedoch auf 11,1 mm.

„Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass eine Wärmebehandlung über die periodische Phasengrenze hinaus zusätzlich zum Rollverhältnis von 67 % für ein einkristallähnliches Kornwachstum wirksam ist“, sagt Prof. Fujimoto. Mit ihren größeren Körnern und weniger Korngrenzen war die wärmebehandelte Legierung wesentlich bruchsicherer und konnte mehr als 60.000 mechanischen Zyklen bei 2 % Dehnung standhalten.

Der Wärmebehandlungsprozess führte auch zu deutlichen Verbesserungen der elastokalorischen Eigenschaften der Cu-Zn-Al-Legierung. Im Vergleich zu zuvor berichteten Legierungen derselben Zusammensetzung zeigte die wärmebehandelte Legierung beim Lösen der Spannung eine latente Wärme von 6,3 J/g, was mehr als dem Doppelten des zuvor gemessenen Wertes von 2,3 J/g entspricht. Dies weist darauf hin, dass die wärmebehandelte Legierung effektiver abkühlen kann. Darüber hinaus wies die Legierung bei geringer zyklischer Belastung (106 MPa) einen adiabatischen Temperaturunterschied von +5,9 K bzw. -5,6 K beim Be- und Entladen auf.

Während Gummibandkühlschränke noch nicht zum Mainstream geworden sind, hat der elastokalorische Effekt das Potenzial, innovative Kühllösungen bereitzustellen. Daher ist die Entwicklung von Materialien, die diesen Zweck erfüllen können, von entscheidender Bedeutung. In dieser Hinsicht weist die wärmebehandelte Cu-Zn-Al-Legierung vielversprechende Eigenschaften auf und kann den Weg für effiziente und kostengünstige Kühlsysteme ebnen.

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Referenz

DOI: https://doi.org/10.1088/2515-7655/acc5b2

Über die Universität der Wissenschaften Tokio

Die Tokyo University of Science (TUS) ist eine bekannte und angesehene Universität und die größte auf Wissenschaft spezialisierte private Forschungsuniversität in Japan mit vier Campussen im Zentrum von Tokio und seinen Vororten sowie in Hokkaido. Die 1881 gegründete Universität hat kontinuierlich zur wissenschaftlichen Entwicklung Japans beigetragen, indem sie Forschern, Technikern und Pädagogen die Liebe zur Wissenschaft vermittelt hat.

Mit der Mission „Schaffung von Wissenschaft und Technologie für die harmonische Entwicklung von Natur, Mensch und Gesellschaft“ hat TUS ein breites Spektrum an Forschung von der Grundlagenforschung bis zur angewandten Wissenschaft durchgeführt. TUS verfolgt einen multidisziplinären Forschungsansatz und führt intensive Studien in einigen der heute wichtigsten Bereiche durch. TUS ist eine Leistungsgesellschaft, in der die Besten der Wissenschaft anerkannt und gefördert werden. Sie ist die einzige private Universität in Japan, die einen Nobelpreisträger hervorgebracht hat, und die einzige private Universität in Asien, die Nobelpreisträger im Bereich der Naturwissenschaften hervorgebracht hat.

Website: https://www.tus.ac.jp/en/mediarelations/

Über Professor Kenjiro Fujimoto von der Tokyo University of Science

Dr. Kenjiro Fujimoto ist Professor an der Fakultät für Naturwissenschaften und Technologie der Universität Tokio, Abteilung für reine und angewandte Chemie. Er erhielt seinen Ph.D. im Jahr 2001 von der Tokyo University of Science. Zu seinen Forschungsinteressen gehören Chemie anorganischer Materialien, Festkörperchemie, kombinatorische Technologie und Materialinformatik. Er verfügt über mehr als 98 referierte Arbeiten und 14 japanische Patente sowie zwei US-Patente zu diesen Themen. Derzeit beschäftigt er sich mit der Entwicklung kombinatorischer Technologien zur Hochdurchsatzexploration mehrkomponentiger anorganischer Materialien und deren Anwendung für Energie-/Umweltmaterialien und Materialinformatik.

Informationen zur Finanzierung

Die Arbeit an der University of Maryland wurde vom US-Energieministerium unter DE-EE0009159 unterstützt.

Zeitschrift für Physik und Energie

10.1088/2515-7655/acc5b2

Experimentelle Studie

Unzutreffend

Abnormales Kornwachstum von 68Cu-16Al-16Zn-Legierungen für die elastokalorische Kühlung durch zyklische Wärmebehandlungen

31. März 2023

Die Autoren haben erklärt, dass keine konkurrierenden Interessen bestehen.

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