Nuevo cobre duradero

A través de un ciclo de tratamiento térmico, los investigadores desarrollaron una aleación resistente a las fracturas que soporta las altas cargas cíclicas necesarias para el enfriamiento elastocalórico.

Universidad de Ciencias de Tokio

imagen: Investigadores de la Universidad de Ciencias de Tokio han desarrollado una aleación más duradera al someterla a calentamiento y enfriamiento repetidos en el límite de fase, lo que da como resultado tamaños de grano más grandes y menos límites de granover más

Crédito: Kenjiro Fujimoto de TUS, Japón

El efecto elastocalórico es un fenómeno en el que un material presenta un cambio de temperatura cuando se expone a un estrés mecánico. El cambio de temperatura se produce debido a una diferencia de entropía resultante de una transformación martensítica acompañada por un cambio en la estructura cristalina del material bajo estrés. Un efecto análogo se observa cuando se estira la banda elástica: sus cadenas de polímero se alinean de manera ordenada, lo que hace que su entropía disminuya. Esto hace que la banda elástica descargue calor a su entorno y se caliente. Cuando se suelta la banda elástica, ocurre lo contrario y la banda elástica se enfría.

Al igual que las bandas de goma, las aleaciones con memoria de forma (SMA) superelásticas metálicas también pueden utilizar el efecto elastocalórico para enfriar. Los SMA basados ​​en cobre (Cu) que consisten en Cu, aluminio (Al) y zinc (Zn) son particularmente prometedores debido a su bajo costo y modestas demandas de estrés para desencadenar el aumento de temperatura. Sin embargo, los SMA de Cu-Al-Zn sufren problemas de fatiga cíclica, ya que sus granos cristalinos gruesos y numerosos límites de grano son susceptibles de fracturarse debido a la expansión y contracción repetidas.

Ahora, en un estudio publicado en el Journal of Physics: Energy el 31 de marzo de 2023, el profesor Kenjiro Fujimoto de la Universidad de Ciencias de Tokio, el profesor Ichiro Takeuchi de la Universidad de Maryland, junto con investigadores de Maryland Energy & Sensor Technologies, EE. UU., han desarrollado un Cu-Zn-Al SMA altamente duradero capaz de soportar una gran cantidad de cargas cíclicas. "Hemos estado buscando condiciones para promover el crecimiento de grano de la aleación 68Cu-16Al-16Zn para mejorar sus propiedades elastocalóricas", dice el profesor Fujimoto, explicando la motivación detrás de su estudio.

Recientemente, informaron que someter aleaciones de Cu-Al-Mn a calentamiento y enfriamiento repetidos en las fases mixta y de alta temperatura aumentó el tamaño de grano del material. Intrigado por estos hallazgos, el equipo decidió investigar si transformaciones de fase similares podrían mejorar las propiedades de las aleaciones de Cu-Zn-Al.

Para preparar las aleaciones de Cu-Al-Zn, los investigadores combinaron Cu, Al y Zn en un crisol de carbono. Fundieron los metales a bajas presiones para suprimir la volatilización del zinc. Una vez que se preparó la aleación, los investigadores la enfriaron y laminaron en lingotes de 7 mm de espesor a tres velocidades de laminación diferentes (0%, 67% y 83%, respectivamente). A continuación, se determinaron las temperaturas del límite de fase de la aleación mediante difracción de rayos X de alta temperatura, que reveló que el límite de fase entre la fase mixta y la fase de alta temperatura se producía entre 700 °C y 750 °C. En base a esto, los investigadores calentaron y enfriaron repetidamente la aleación entre 500°C y 900°C.

Todos los lingotes sometidos al ciclo de tratamiento térmico mostraron un aumento del tamaño de grano cristalino, observándose el máximo aumento en las aleaciones laminadas a una tasa del 67%. El tamaño de grano del lingote prístino fue de 2,21 mm, pero el tamaño de grano promedio del lingote tratado térmicamente en este grupo aumentó a 11,1 mm.

"Los resultados indican que el tratamiento térmico en el límite de la fase periódica, además de la relación de rodadura del 67 %, es eficaz para el crecimiento de granos de tipo monocristalino", dice el profesor Fujimoto. Con sus granos más grandes y menos límites de grano, la aleación tratada térmicamente era mucho más resistente a la fractura y podía soportar más de 60 000 ciclos mecánicos con una deformación del 2 %.

El proceso de tratamiento térmico también resultó en mejoras significativas en las propiedades elastocalóricas de la aleación de Cu-Zn-Al. En comparación con las aleaciones de la misma composición informadas anteriormente, la aleación tratada térmicamente mostró un calor latente de 6,3 J/g al liberar la deformación, que es más del doble del valor medido anteriormente de 2,3 J/g. Esto indica que la aleación tratada térmicamente puede enfriarse de manera más efectiva. Además, la aleación mostró una diferencia de temperatura adiabática de +5,9 K y -5,6 K en carga y descarga, respectivamente, con cargas cíclicas bajas (106 MPa).

Si bien los refrigeradores de bandas elásticas no se han generalizado, el efecto elastocalórico tiene el potencial de brindar soluciones de enfriamiento innovadoras. Por lo tanto, es crucial desarrollar materiales que puedan lograr este propósito. En este sentido, la aleación de Cu-Zn-Al tratada térmicamente muestra propiedades prometedoras y puede allanar el camino para sistemas de refrigeración eficientes y rentables.

***

Referencia

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

Acerca de la Universidad de Ciencias de Tokio

La Universidad de Ciencias de Tokio (TUS) es una universidad muy conocida y respetada, y la universidad de investigación privada especializada en ciencias más grande de Japón, con cuatro campus en el centro de Tokio y sus suburbios y en Hokkaido. Establecida en 1881, la universidad ha contribuido continuamente al desarrollo científico de Japón al inculcar el amor por la ciencia en investigadores, técnicos y educadores.

Con la misión de "Crear ciencia y tecnología para el desarrollo armonioso de la naturaleza, los seres humanos y la sociedad", TUS ha emprendido una amplia gama de investigaciones, desde la ciencia básica hasta la aplicada. TUS ha adoptado un enfoque multidisciplinario para la investigación y ha realizado estudios intensivos en algunos de los campos más vitales de la actualidad. TUS es una meritocracia donde se reconoce y fomenta lo mejor de la ciencia. Es la única universidad privada en Japón que ha producido un ganador del Premio Nobel y la única universidad privada en Asia que produce ganadores del Premio Nobel dentro del campo de las ciencias naturales.

Sitio web: https://www.tus.ac.jp/en/mediarelations/

Acerca del profesor Kenjiro Fujimoto de la Universidad de Ciencias de Tokio

El Dr. Kenjiro Fujimoto es profesor en la Facultad de Ciencias y Tecnología de la Universidad de Ciencias de Tokio, Departamento de Química Pura y Aplicada. Recibió su Ph.D. en 2001 de la Universidad de Ciencias de Tokio. Sus intereses de investigación incluyen la química de materiales inorgánicos, la química de estado sólido, la tecnología combinatoria y la informática de materiales. Tiene más de 98 artículos referidos y 14 patentes japonesas y dos patentes estadounidenses en estos temas. Actualmente está involucrado en el desarrollo de tecnología combinatoria para la exploración de alto rendimiento de materiales inorgánicos de múltiples componentes y su aplicación para materiales energéticos/ambientales e informática de materiales.

Información de financiación

El trabajo en la Universidad de Maryland fue apoyado por el Departamento de Energía de EE. UU. bajo DE-EE0009159.

Revista de Física de la Energía

10.1088/2515-7655/ac5b2

Estudio experimental

No aplica

Crecimiento anormal de grano de aleaciones 68Cu-16Al-16Zn para enfriamiento elastocalórico mediante tratamientos térmicos cíclicos

31-mar-2023

Los autores han declarado que no existen intereses contrapuestos.

Descargo de responsabilidad: AAAS y Eurek Alert! no son responsables de la precisión de los comunicados de prensa publicados en EurekAlert! por instituciones contribuyentes o para el uso de cualquier información a través del sistema EurekAlert.