带孔形状记忆合金薄板弹热性能的实验和理论研究

NiTi形状记忆合金因其优异的弹热效应在新兴固态制冷领域具备广阔的应用前景. 然而, 该类合金较高的相变临界应力使得其弹热效应需要很高的机械载荷来驱动, 对固态制冷器件的小型化和大规模应用带来了挑战. 文章通过在NiTi形状记忆合金薄板上引入孔洞, 揭示了孔洞体积分数、分布形式对薄板弹热性能的影响. 结果表明, 孔洞造成的应力集中效应能够在显著降低薄板相变驱动力的同时, 有效增加薄板的整体制冷温度和吸热量.
薄板在变形过程中的整体力-位移响应和温度演化强烈依赖于孔洞体积分数, 孔洞分布形式仅仅影响薄板的局部应力-应变-温度场, 而对整体的热-力响应影响较小. 进一步地, 基于应力对数客观率, 在不可逆热力学框架下建立了形状记忆合金有限变形热-力耦合本构模型, 并完成了模型的有限元移植. 通过与实验结果的对比发现, 提出的本构模型能够很好地预测孔洞对NiTi形状记忆合金薄板变形行为和弹热性能的影响, 从而为该类合金带孔薄板的设计提供理论工具.