Развитие технологий и ужесточение экологических стандартов заставляют научное сообщество искать альтернативы привычным промышленным решениям. Особенно актуальна эта задача в области систем охлаждения, где традиционно применяются фреоны. Несмотря на свою эффективность, эти химические соединения, используемые в холодильниках, кондиционерах и тепловых насосах, оказывают негативное влияние на озоновый слой атмосферы и способствуют изменению климата. К тому же технологии на их основе отличаются высокой энергоёмкостью.
Эластокалорический эффект — естественный шаг в будущее
Передовые научные группы по всему миру разрабатывают экологичные альтернативы вредным фреонам. Одним из многообещающих подходов является так называемое твердотельное эластокалорическое охлаждение — инновационная технология, основанная на механическом воздействии на рабочий элемент из специализированного сплава.
Суть метода состоит в том, что материал под нагрузкой деформируется, поглощая тепло, а затем возвращается в исходное состояние, отдавая энергию в виде холода. Такой способ позволяет снизить температуру за счёт внутренних фазовых превращений кристаллической структуры, а не химических переходов. Благодаря отсутствию токсичных охлаждающих агентов технология считается экономически выгодной, крайне эффективной и абсолютно безопасной для окружающей среды.
Сплав Гейслера NiFeGa(Co): новый стандарт в мире охлаждения
В поисках идеальных материалов для эластокалорических холодильников исследователи обратили внимание на сплавы Гейслера на основе никеля, железа и галлия с возможным добавлением кобальта (NiFeGa(Co)). Эти сплавы уже приобрели широкую известность благодаря свойствам памяти формы и высокой эластичности — их давно применяют в приводах, демпферах, интеллектуальных системах управления. Особый вклад в исследование этих сплавов вносит коллектив лаборатории физики высокопрочных кристаллов под руководством Юрия Чумлякова, а также команда СФТИ ТГУ.
В ходе экспериментов было доказано, что NiFeGa(Co)-сплавы демонстрируют выраженный эластокалорический эффект — материал может многократно охлаждать рабочее тело в температурном диапазоне до 300°C, не теряя стабильности эффективности. Этим удаётся добиться и отличной циклической живучести, что является ключевым требованием для индустриального внедрения. Одно из основных достижений состоит в том, что такие параметры удаётся поддерживать на протяжении десятков и даже сотен тысяч рабочих циклов.
Преодоление сложностей масштабирования: от монокристаллов к поликристаллам
Первоначальные успехи были связаны с монокристаллами сплава NiFeGa(Co), обладающими рекордными эластокалорическими характеристиками. Однако их массовое промышленное производство остается сложной и дорогой задачей. В этой связи особую актуальность приобретают исследования в области поликристаллических материалов.
Елена Панченко, доктор физико-математических наук, руководитель проекта СФТИ ТГУ, отмечает: «Монокристаллы слишком дороги для масштабного промышленного использования. Поэтому мы сосредоточились на разработке поликристаллов, которые при правильной структуре не уступают монокристаллам по прочности и долговечности».
В рамках гранта Российского научного фонда № 23-19-00150 коллектив лаборатории под руководством Елены Панченко и при участии Ирины Стешенко провёл глубокие исследования и доработал состав сплавов NiFeGaCoB, оптимизируя их микроструктуру для повышения эластокалорических свойств.
Революционные параметры охлаждения и прочности: достижения коллектива СФТИ ТГУ
В результате проведённой работы впервые на поликристаллических материалах NiFeGaCoB был получен существенный охлаждающий эффект — температура понижается до 9,4°C в широком диапазоне до 125°C. Это практически соответствует мировым рекордам по охлаждению для монокристаллов аналогичных сплавов. Столь высокие значения достигнуты благодаря комплексному подходу: оптимизация кристаллической структуры, микролегирование бором и формирование необходимой текстуры зёрен в поликристалле.
Особое внимание уделялось добавлению бора в концентрации всего 0,3%, что существенно укрепило структуру сплава, повысив его устойчивость к механическим напряжениям и повторным циклам деформации. Инженер Ирина Стешенко отмечает: «Введение бора позволило снизить растрескивание и добиться стабильной ориентации зерен, что критически важно для работоспособности и долговечности будущих холодильных устройств».
Использование новых методик термомеханической обработки
В рамках исследований учёным впервые удалось применить уникальную методику подготовки поликристаллов — термомеханическую обработку во время старения материала в мартенситной фазе под нагрузкой. Результаты поразили даже опытных специалистов: гистерезис (то есть потери энергии при циклической деформации) и рабочие напряжения материала существенно снизились. Это позволило сделать такие сплавы максимально энергоэффективными, а будущее оборудование на их основе — более простым, компактным и выгодным в эксплуатации.
Подобный подход открывает дорогу к практической реализации новых систем отопления, кондиционирования или тепловых насосов, абсолютно безопасных для окружающей среды. В своей работе учёные уже подготовили конкретные рекомендации по дальнейшей модификации структуры поликристаллов, чтобы вывести на рынок приборы с высочайшей эффективностью охлаждения.
Перспективы внедрения и признание научного сообщества
Результаты исследований лаборатории физики высокопрочных кристаллов СФТИ ТГУ уже представлены на ведущих международных конференциях. Они вызвали широкий интерес специалистов на семинарах «Дни калорики в Челябинске: функциональные материалы и их приложения» и на конференции «Сплавы с памятью формы» в Москве. Эти достижения открывают радужные перспективы для внедрения безопасных и экономичных решений в сфере промышленного и бытового охлаждения без ущерба для природы.
Объединяя усилия специалистов во главе с Юрием Чумляковым, Еленой Панченко и Ириной Стешенко, коллектив ученых продолжает создавать новые материалы, способные превзойти привычные хладагенты по всем ключевым параметрам и сделать экологически чистое и эффективное охлаждение реальностью для всего мира.
Источник: naked-science.ru
