KR102192044B1 - Ultra-low fatigue bulk elastocaloric alloy - Google Patents

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Abstract

본 발명의 한 실시예에 따른 초저피로 벌크 탄성칼로리 합금은 하기 화학식으로 표시되고,
Ti, Cu, Ni, Si, 그리고 Sn을 포함한다.
[화학식]
(TixCuyNi100-x-y)100-z-kSizSnk
상기 화학식에서, 48≤x≤52, 15≤y≤44, 0≤z≤3 이며, 0≤k≤2 이다.
TiCuNi 합금의 경우 오스테나이트 상인 B2 및 마르텐사이트 상인 B19 외 기타 금속간 화합물 상의 석출 제어가 어려워 기계적 특성 및 기능적 특성이 크게 저하된다. 특히, 석출로 인해 피로 특성이 저하되는데, Si을 첨가할 경우의 효과는 금속간 화합물의 석출을 억제하는 효과로 인하여 피로 특성이 크게 향상되는 것을 포함한다. 또한 본 발명에서 제안된 합금 조성에 따르면, 합금의 전체적인 조성비, 그 중 특히 Ti 및 Sn 함량 조절의 효과는 상변태 온도의 조절을 포함하며, 특히 오스테나이트 상변태 종료 온도(TAf)가 동작환경에 해당하는 온도(To)와 가까울수록 작동에 필요한 임계응력 및 최소 변형률이 감소하는 효과를 포함한다. 단, 오스테나이트 상변태 시작 온도는 동작 온도보다는 더 낮은 조건에서 초탄성 특성을 나타낸다. 또한 합금 구성 원소 중 Cu의 함량조절의 효과는 40 at. %에 가까운 조성에서 형상기억합금의 변형에 의해 발생한 일 대비 마르텐사이트 상변태시 발생하는 잠열 (-ΔH/ΔW)이 증가하여 열교환 효율이 향상되는 것을 포함한다. 실시예에 따른 Ti, Cu, Ni, Si, Sn 등 구성 원소의 비에 의하여, 벌크 형태로 제조 가능하며 열적 전처리나 기계적 트레이닝이 불필요한 초저피로 특성을 나타내는 탄성칼로리 합금이 제공된다.
The ultra-low fatigue bulk elastic calorie alloy according to an embodiment of the present invention is represented by the following formula,
Contains Ti, Cu, Ni, Si, and Sn.
[Chemical Formula]
(Ti x Cu y Ni 100-xy ) 100-zk Si z Sn k
In the above formula, 48≤x≤52, 15≤y≤44, 0≤z≤3, and 0≤k≤2.
In the case of the TiCuNi alloy, it is difficult to control the precipitation of other intermetallic compounds other than the austenite phase B2 and the martensite phase B19, so that the mechanical properties and functional properties are greatly reduced. In particular, the fatigue properties are deteriorated due to precipitation, and the effect of adding Si includes that the fatigue properties are greatly improved due to the effect of suppressing the precipitation of intermetallic compounds. In addition, according to the alloy composition proposed in the present invention, the overall composition ratio of the alloy, especially the effect of controlling the Ti and Sn content includes the adjustment of the phase transformation temperature, and in particular, the austenite phase transformation end temperature (T Af ) corresponds to the operating environment. It includes the effect of reducing the critical stress and minimum strain required for operation as it approaches the temperature (T o ). However, the austenite phase transformation start temperature exhibits superelastic properties under conditions lower than the operating temperature. In addition, the effect of controlling the content of Cu among alloy constituents is 40 at. In a composition close to %, the heat exchange efficiency is improved by increasing the latent heat (-ΔH/ΔW) generated during the martensite phase transformation compared to the work generated by the deformation of the shape memory alloy. By the ratio of constituent elements such as Ti, Cu, Ni, Si, and Sn according to the embodiment, an elastic calorie alloy is provided that can be manufactured in a bulk form and exhibits ultra-low fatigue properties that do not require thermal pretreatment or mechanical training.

Description

초저피로 벌크 탄성칼로리 합금 {Ultra-low fatigue bulk elastocaloric alloy}{Ultra-low fatigue bulk elastocaloric alloy}

반복사용시 기계적 및 기능적으로 초저피로 거동을 나타내는 벌크 탄성 칼로리 합금이 제공된다.A bulk elastic calorie alloy that exhibits mechanical and functional ultra-low fatigue behavior upon repeated use is provided.

일반적으로 냉장고 등과 같은 온도 조절장치 및 각종 모터 및 엔진 등은 열 교환 시스템을 필수적으로 요구하며, 방열판이나 팬(fan)을 활용한 단순 열전도 시스템 및 압축 가스를 활용한 열교환 시스템이 상용화 되어 있다. 그러나 열전도 시스템은 방열량이 낮고, 압축 가스 시스템은 열역학 법칙에 의하여 열 교환시 달성 가능한 효율에 한계가 있다. 탄성 칼로리 합금 (elastocaloric alloy)은 형상기억합금의 서로 다른 두 고상, 마르텐사이트 상 및 오스테나이트 상이 갖는 엔트로피 차이를 열 교환에 활용하여, 이론적으로 달성 가능한 효율이 매우 높아 차세대 열 교환 소재로 주목 받고 있다. In general, temperature control devices such as refrigerators and various motors and engines require a heat exchange system, and a simple heat conduction system using a heat sink or fan and a heat exchange system using compressed gas are commercialized. However, the heat conduction system has a low amount of heat dissipation, and the compressed gas system has a limit in the efficiency achievable during heat exchange according to the laws of thermodynamics. The elastocaloric alloy utilizes the difference in entropy between two different solid phases, martensite and austenite phases of the shape memory alloy for heat exchange, and is attracting attention as a next-generation heat exchange material due to its high theoretically achievable efficiency. .

이로 인해 다양한 시스템의 형상기억합금을 탄성칼로리 합금으로 활용하고자 하는 연구가 활발히 진행되고 있으며, 특히 기계적, 기능적 특성이 모두 우수한 것으로 널리 알려진 니티놀(Nitinol) 합금이 매우 우수한 열교환 효율을 나타내는 것으로 알려져 있다. 그러나 니티놀 합금은 수십 회 이하의 반복 동작에 의하여 그 특성이 크게 열화되는 고피로 특성을 나타내므로, 수십만 번 이상의 반복 사용을 요구하는 탄성칼로리 합금으로 적용되기에는 부적합한 것으로 알려져 있다. 이외에도 TiNiHf 합금, CuNiAl 합금 등 다양한 형상기억합금을 탄성칼로리 합금으로 활용하고자 하는 연구가 진행되어 왔으나, 열교환 효율이 낮고, 고피로 특성을 나타내었다. For this reason, studies to utilize shape memory alloys of various systems as elastic calorie alloys are actively being conducted.In particular, Nitinol alloys, which are widely known to have excellent mechanical and functional properties, are known to exhibit very excellent heat exchange efficiency. However, the nitinol alloy is known to be unsuitable to be applied as an elastic calorie alloy that requires repeated use of several tens of thousands of times or more, since its properties are greatly deteriorated by repeated operations of several tens of times or less. In addition, studies to utilize various shape memory alloys such as TiNiHf alloy and CuNiAl alloy as an elastic calorie alloy have been conducted, but heat exchange efficiency is low and high fatigue properties are shown.

TiNiCu 합금의 경우 수십 마이크로 이하 두께의 필름으로 제조될 경우 예외적으로 수만 번 사용이 가능한 것으로 보고되었다. 따라서 MEMS (microelectromechanical system) 등에 적용하기 위한 후속 연구가 진행되어 오고 있다. 그러나 대부분의 다른 형상기억합금과 마찬가지로, 벌크 형태로 제조될 경우 열교환에 활용되는 B2 및 B19, B19'상 이외의 금속간 화합물 상이 석출되어 복잡한 미세구조를 형성하며, 피로 특성 및 열교환 효율이 크게 저하 될 수 있다. 금속간 화합물 상의 석출을 제어하는 기술의 부재로 인하여 현재까지 형상기억합금을 1 mm 이상 두께의 벌크 형태로 제조할 경우, 저피로 특성을 구현하기 어려운 것으로 알려져 있다. 따라서 벌크 저피로 탄성칼로리 합금의 개발을 위해서는 형상기억합금 내 금속간 화합물 석출 제어 방안과 마르텐사이트 상변태 온도 제어가 필수적인 것으로 사료된다.In the case of TiNiCu alloy, it has been reported that it can be used tens of thousands of times exceptionally if it is manufactured into a film having a thickness of tens of microns or less. Therefore, follow-up research for application to MEMS (microelectromechanical system) has been conducted. However, like most other shape memory alloys, when manufactured in bulk form, intermetallic compound phases other than the B2, B19, and B19' phases used for heat exchange are precipitated to form a complex microstructure, and fatigue characteristics and heat exchange efficiency are greatly reduced. Can be. Due to the lack of technology to control the precipitation of intermetallic compounds, it is known that it is difficult to realize low fatigue properties when manufacturing a shape memory alloy in a bulk form having a thickness of 1 mm or more. Therefore, for the development of a bulk low-fatigue elastic calorie alloy, it is considered necessary to control the precipitation of intermetallic compounds in the shape memory alloy and the martensite phase transformation temperature.

탄성칼로리 합금은 동일한 응력 및 온도 조건에서 반복적으로 사용되어야 하기 때문에, 마르텐사이트 상변태 및 일정한 응력하에서의 변형률이 매우 안정적으로 발생되어야 한다. 이를 위해서 합금 제조시 용체화 처리(solution treatment), 소둔 처리(annealing), 급냉(quenching) 및 기계적 전처리(mechanical training) 등 복잡한 과정이 요구된다. 이는 생산 비용 및 시간을 크게 높이는 원인이 되므로 이러한 공정을 단순화 할 필요가 있는 것으로 사료된다. Since the elastic calorie alloy must be used repeatedly under the same stress and temperature conditions, the martensitic phase transformation and strain under constant stress must be generated very stably. To this end, complex processes such as solution treatment, annealing treatment, quenching, and mechanical training are required when manufacturing an alloy. It is believed that this process needs to be simplified because it causes a significant increase in production cost and time.

탄성칼로리 합금은 마르텐사이트 상과 오스테나이트상의 상변화 시 발생하는 엔트로피 차이를 열에너지(잠열)의 형태로 열교환에 활용하는데, 일반적으로 상변태 시 높은 응력에서 큰 변형률을 가지는 경우 높은 잠열이 발생된다. 그러나 열교환기를 구성하는 기계공학적 관점에서 반복적으로 변형이 발생하는 재료에 높은 응력 및 큰 변형률이 발생하는 것은 큰 열손실로 이어질 뿐만 아니라 부품의 소형화 및 경량화를 저해하는 요인이 된다. 따라서 충분한 잠열을 나타내는 동시에 최소한의 응력 및 변형률만으로 작동하는 합금의 개발이 요구된다. The elastic calorie alloy utilizes the difference in entropy that occurs during the phase change of the martensite phase and the austenite phase in the form of thermal energy (latent heat) for heat exchange.In general, high latent heat is generated when it has a large strain at high stress during phase transformation. However, from the mechanical engineering point of view of the heat exchanger, the occurrence of high stress and large strain in a material that repeatedly undergoes deformation not only leads to large heat loss, but also becomes a factor that hinders miniaturization and weight reduction of parts. Therefore, it is required to develop an alloy that exhibits sufficient latent heat and operates only with minimal stress and strain.

본 발명의 한 실시예에 따른 초저피로 벌크 탄성칼로리 합금은 반복 사용에 의한 피로(fatigue) 특성을 향상시키기 위한 것이다.The ultra-low fatigue bulk elastic calorie alloy according to an embodiment of the present invention is to improve fatigue properties due to repeated use.

본 발명의 한 실시예에 따른 초저피로 벌크 탄성칼로리 합금은 1 mm 이상의 벌크 형태로 제조된 형상기억합금 내 금속간화합물 상의 석출을 제어하기 위한 것이다.The ultra-low fatigue bulk elastic calorie alloy according to an embodiment of the present invention is for controlling the precipitation of an intermetallic compound in a shape memory alloy manufactured in a bulk form of 1 mm or more.

본 발명의 한 실시예에 따른 초저피로 벌크 탄성칼로리 합금은 제조 공정상 열적 전처리(용체화 처리 및 소둔) 및 기계적 트레이닝 혹은 전처리(mechanical training)없이도 사용 중 기계적 특성 및 기능적 특성의 저하를 일으키지 않고 안정적으로 사용가능 하도록 하기 위한 것이다.The ultra-low fatigue bulk elastic calorie alloy according to an embodiment of the present invention is stable without causing deterioration in mechanical properties and functional properties during use without thermal pretreatment (solution treatment and annealing) and mechanical training or mechanical training in the manufacturing process. It is intended to be used as a.

본 발명의 한 실시예에 따른 초저피로 벌크 탄성칼로리 합금은 기존 탄성칼로리 합금대비 상대적으로 낮은 압력에서도 마르텐사이트 상변태를 통해 열교환 시스템의 작동이 가능하도록 하기 위한 것이다.The ultra-low fatigue bulk elastic calorie alloy according to an embodiment of the present invention is to enable the operation of the heat exchange system through martensite phase transformation even at a relatively low pressure compared to the existing elastic calorie alloy.

본 발명의 한 실시예에 따른 초저피로 벌크 탄성칼로리 합금은 기존 탄성칼로리 합금대비 상대적으로 낮은 변형률 조건에서도 마르텐사이트 상변태를 통해 열교환 시스템의 작동이 가능하도록 하기 위한 것이다.The ultra-low fatigue bulk elastic calorie alloy according to an embodiment of the present invention is to enable the operation of the heat exchange system through martensite phase transformation even under a condition of a relatively low strain compared to the existing elastic calorie alloy.

상기 과제 이외에도 구체적으로 언급되지 않은 다른 과제를 달성하는 데 본 발명에 따른 실시예가 사용될 수 있다. In addition to the above problems, the embodiments according to the present invention may be used to achieve other tasks not specifically mentioned.

본 발명의 한 실시예에 따른 초저피로 벌크 탄성칼로리 합금은 하기 화학식으로 표시되고,The ultra-low fatigue bulk elastic calorie alloy according to an embodiment of the present invention is represented by the following formula,

Ti, Cu, Ni, Si, 그리고 Sn을 포함한다.Contains Ti, Cu, Ni, Si, and Sn.

[화학식][Chemical Formula]

(TixCuyNi100-x-y)100-z-kSizSnk (Ti x Cu y Ni 100-xy ) 100-zk Si z Sn k

(상기 화학식에서, 48≤x≤52, 15≤y≤44, 0≤z≤3 이며, 0≤k≤2 이다.)(In the above formula, 48≤x≤52, 15≤y≤44, 0≤z≤3, and 0≤k≤2.)

합금은 B2 및 B19상을 포함할 수 있다.The alloy may include phases B2 and B19.

합금의 마르텐사이트 상변태 시작 온도(TMs), 마르텐사이트 상변태 종료 온도(TMf), 그리고 오스테나이트 상변태 시작 온도(TAs)가 동작환경에 해당하는 온도(To) 이하일 수 있다.The martensitic phase transformation start temperature (T Ms ), the martensite phase transformation end temperature (T Mf ), and the austenite phase transformation start temperature (T As ) of the alloy may be less than or equal to a temperature (T o ) corresponding to the operating environment.

합금의 오스테나이트 상변태 종료 온도가 동작환경에 해당하는 온도(To) 이하일 수 있다.The austenite phase transformation end temperature of the alloy may be less than or equal to a temperature (T o ) corresponding to the operating environment.

합금에서 Si의 분율이 0.5이상 첨가됨에 따라 주조시 금속간화합물 상의 석출이 억제되어 B2상 혹은 B19상만을 갖는 합금이 제조될 수 있다.As the fraction of Si is added in the alloy of 0.5 or more, precipitation of the intermetallic compound phase is suppressed during casting, so that an alloy having only the B2 phase or the B19 phase can be manufactured.

합금에서 Si의 분율이 0.5이상 첨가됨에 따라 열적 및 기계적 전처리 공정 없이 주조 만으로 합금이 제조될 수 있다.As the fraction of Si is added in the alloy of 0.5 or more, the alloy can be manufactured by casting alone without thermal and mechanical pretreatment processes.

합금에서 조성비에 따라 오스테나이트 상변태 종료 온도(TAf)가 동작환경에 해당하는 온도(To)와 가까울수록 작동에 필요한 임계응력이 감소할 수 있다.Depending on the composition ratio in the alloy, the critical stress required for operation may decrease as the austenite phase transformation end temperature (T Af ) is closer to the temperature (T o ) corresponding to the operating environment.

합금에서 조성비에 따라 오스테나이트 상변태 종료 온도(TAf)가 동작환경에 해당하는 온도(To)와 가까울수록 동작에 필요한 최소 변형률이 감소할 수 있다.Depending on the composition ratio in the alloy, the closer the austenite phase transformation end temperature (T Af ) to the temperature (T o ) corresponding to the operating environment, the lower the minimum strain required for operation may be.

합금에서 Cu의 분율이 증가함에 따라 동작에 필요한 최소 변형률이 감소할 수 있다.As the fraction of Cu in the alloy increases, the minimum strain required for operation may decrease.

합금에서 Cu의 분율이 40at.%에 가까워짐에 따라 형상기억합금의 변형에 의해 발생한 일 대비 마르텐사이트 상변태시 발생하는 잠열 (-ΔH/ΔW)이 증가하여 열교환 효율이 증가할 수 있다.As the fraction of Cu in the alloy approaches 40 at.%, the latent heat (-ΔH/ΔW) generated during the martensite phase transformation increases compared to the work generated by the deformation of the shape memory alloy, thereby increasing the heat exchange efficiency.

본 발명의 한 실시예에 따른 초저피로 벌크 탄성칼로리 합금은 금속간화합물의 석출을 억제하고 상변태 온도를 조절하여 피로특성을 향상시킬 수 있고, 열처리 및 기계적 전처리 공정 없이 합금을 제조함으로써 제조 비용을 절감할 수 있고, 동작에 필요한 임계응력을 감소시켜 적은 힘을 활용하여 열교환 시스템을 구성할 수 있고, 동작에 의하여 발생하는 변형률을 감소시켜 열교환 시스템의 크기를 줄이고 안정성을 향상시킬 수 있고, 열교환 효율을 기존 합금 대비 크게 증가시킬 수 있다.The ultra-low fatigue bulk elastic calorie alloy according to an embodiment of the present invention can improve fatigue properties by controlling the precipitation of intermetallic compounds and controlling the phase transformation temperature, and reducing manufacturing costs by manufacturing the alloy without heat treatment and mechanical pretreatment processes. It is possible to reduce the critical stress required for operation, thereby constructing a heat exchange system using less force, reduce the strain generated by the operation, reduce the size of the heat exchange system, improve stability, and improve heat exchange efficiency. It can be greatly increased compared to the existing alloy.

도 1은 (Ti50Cu40Ni10)Si1Sn1 조성의 합금에 응력을 낮은 변형률(10-4/s)로 주기적으로 인가 및 완화하여 B2-B19 상변태가 가역적으로 일어나는 경우의 응력-변형률 곡선을 나타낸다.
도 2는 (Ti50Cu40Ni10)Si1Sn1 조성의 합금에 응력을 높은 변형률(10-1/s)로 주기적으로 인가 및 완화하여 B2-B19 상변태가 가역적으로 일어나는 경우의 응력-변형률 곡선을 나타낸다.
도 3은 (Ti50Cu15Ni35)Si1Sn1, (Ti50Cu20Ni3)Si1Sn1, (Ti50Cu30Ni20)Si1Sn1, (Ti50Cu40Ni10)Si1Sn1, (Ti50Cu43Ni7)Si1Sn1조성의 합금에 응력을 낮은 변형률(10-4/s)로 최대 500MPa까지 인가 후 완화하였을 때의 응력-변형률 곡선을 나타낸다.
도 4는 (Ti50Cu15Ni35)Si1Sn1, (Ti50Cu20Ni3)Si1Sn1, (Ti50Cu30Ni20)Si1Sn1, (Ti50Cu40Ni10)Si1Sn1, (Ti50Cu43Ni7)Si1Sn1조성의 합금에 응력을 높은 변형률(10-1/s)로 주기적으로 인가 및 완화하여 B2-B19 상 변태가 가역적으로 일어나는 경우의 응력-변형률 곡선의 적분으로 주어지는 일에 의한 에너지 손실(ΔW)대비 잠열에 의한 엔탈피 감소량 (-ΔH)의 비를 나타낸 그래프이다.
도 5는 (Ti50Cu40Ni10)Si1Sn1 조성의 합금에 응력을 높은 변형률(10-1/s)로 주기적으로 인가 및 완화하여 B2-B19 상변태가 가역적으로 일어나는 경우의 응력-변형률 곡선을 반복주기에 따라서 나타낸 것이다.
도 6은 (Ti50Cu40Ni10)Si1Sn1 조성의 합금에 응력을 높은 변형률(10-1/s)로 주기적으로 인가 및 완화하여 B2-B19 상변태가 가역적으로 일어나는 경우의 잠열에 의한 합금의 온도 변화를 반복 주기에 따라서 나타낸 것이다.
Figure 1 shows the stress-strain when the B2-B19 phase transformation occurs reversibly by periodically applying and releasing stress to the alloy of (Ti 50 Cu 40 Ni 10 )Si 1 Sn 1 composition at a low strain (10 -4 /s). Show the curve.
Figure 2 shows the stress-strain when the B2-B19 phase transformation occurs reversibly by periodically applying and relaxing stress to the alloy of the composition of (Ti 50 Cu 40 Ni 10 )Si 1 Sn 1 at a high strain rate (10 -1 /s) Show the curve.
Figure 3 shows (Ti 50 Cu 15 Ni 35 )Si 1 Sn 1 , (Ti 50 Cu 20 Ni 3 )Si 1 Sn 1 , (Ti 50 Cu 30 Ni 20 )Si 1 Sn 1 , (Ti 50 Cu 40 Ni 10 ) Si 1 Sn 1 , (Ti 50 Cu 43 Ni 7 ) Si 1 Sn 1 shows the stress-strain curve when a stress is applied to an alloy with a low strain (10 -4 /s) up to 500 MPa and then relaxed.
4 shows (Ti 50 Cu 15 Ni 35 )Si 1 Sn 1 , (Ti 50 Cu 20 Ni 3 )Si 1 Sn 1 , (Ti 50 Cu 30 Ni 20 )Si 1 Sn 1 , (Ti 50 Cu 40 Ni 10 ) Si 1 Sn 1 , (Ti 50 Cu 43 Ni 7 ) Si 1 Sn 1 When the stress is periodically applied and relieved at a high strain rate (10 -1 /s) to the alloy, whereby the B2-B19 phase transformation occurs reversibly. It is a graph showing the ratio of the enthalpy reduction amount (-ΔH) due to latent heat to the energy loss (ΔW) due to work given as the integral of the stress-strain curve.
5 is a stress-strain when the B2-B19 phase transformation occurs reversibly by periodically applying and releasing stress to an alloy of (Ti 50 Cu 40 Ni 10 )Si 1 Sn 1 composition at a high strain rate (10 -1 /s). The curve is shown according to the repetition cycle.
Figure 6 shows the (Ti 50 Cu 40 Ni 10 )Si 1 Sn 1 by applying and mitigating the stress periodically at a high strain rate (10 -1 / s) to the alloy composition by the latent heat when the phase transformation of B2-B19 occurs reversibly. It shows the temperature change of the alloy according to the repetition cycle.

첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 기타 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 부호가 사용되었다. 또한 널리 알려져 있는 공지기술의 경우 그 구체적인 설명은 생략한다. Embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those of ordinary skill in the art may easily implement the present invention. The present invention may be implemented in other different forms, and is not limited to the embodiments described herein. In the drawings, parts irrelevant to the description are omitted in order to clearly describe the present invention, and the same reference numerals are used for the same or similar components throughout the specification. Also, in the case of well-known technologies, detailed descriptions thereof will be omitted.

명세서 내에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. In the specification, when a certain part "includes" a certain component, it means that other components may be further included rather than excluding other components unless specifically stated to the contrary.

본 명세서에서 B2 상과 오스테나이트 상은 동일한 의미로 사용될 수 있고, B19 상과 마르텐사이트 상은 동일한 의미로 사용될 수 있다. In the present specification, the B2 phase and the austenite phase may be used as the same meaning, and the B19 phase and the martensite phase may be used as the same meaning.

실시예들에 따른 초저피로 벌크 탄성 칼로리 합금은, B2-B19 마르텐사이트 상변태를 이용한 형상 기억 합금(Shape Memory Alloy, SMA)에 관한 것으로, 합금에 외부로부터 기계적 에너지가 가해져 응력이 인가되면, 오스테나이트(austenite) 상인 B2 상이 마르텐사이트(martensite) 상인 B19 상으로 상변태되면서 열을 방출할 수 있다(△H>0, exothermic). 반면, 응력이 제거되는 경우, B19 상이 다시 B2 상으로 역변태 되면서 열을 흡수할 수 있다(△H<0, endothermic). 실시예에 따른 합금은 1mm 이상 두께를 가지는 벌크 형태로 제조되어 사용될 수 있는 것으로, 지름이 약 3mm이고 높이가 약 50 mm인 봉상 형태를 갖고, 합금의 각 구성원소들을 혼합한 후 arc melting 방식으로 용융시키고 주조하여 제조하였고, 약 6mm 높이로 절단하여 주기적 변형을 인가한 것이다. 실시예에 따른 합금은 응력이 인가 및 제거되었을 때 발생하는 열 방출 및 흡수를 이용하여 탄성 칼로리 효과를 나타낼 수 있고, 이는 기계적 에너지를 열 에너지로 전환하여, 인접 부품 등 구성요소를 냉각 및 가열하는 용도로 사용하는 것을 포함한다. 이러한 냉각 또는 가열을 위한 탄성칼로리 효과는 재료를 반복, 주기적으로 변형하면서 구동되는데, 반복적인 구동에 따라 탄성칼로리 합금의 기계적 특성 및 기능적 특성이 열화되어 피로파괴 또는 피로에 의한 냉각능 및 가열능이 감소된다. 실시예들에 따른 합금의 피로 특성이 종래의 합금의 피로 특성에 비하여 현저하게 우수하기 때문에, 100,000회 이상 반복 사용 조건에서도 피로에 의한 특성 감소가 현저하게 작을 수 있다.The ultra-low fatigue bulk elastic calorie alloy according to the embodiments relates to a shape memory alloy (SMA) using B2-B19 martensite phase transformation, and when a stress is applied by applying mechanical energy to the alloy from the outside, austenite The (austenite) trader B2 phase is transformed into the martensite trader B19 phase to release heat (ΔH>0, exothermic). On the other hand, when the stress is removed, the B19 phase is reverse transformed back to the B2 phase, thereby absorbing heat (ΔH<0, endothermic). The alloy according to the embodiment can be manufactured and used in a bulk form having a thickness of 1 mm or more, and has a rod-shaped shape with a diameter of about 3 mm and a height of about 50 mm, and after mixing each element of the alloy, by using an arc melting method. It was manufactured by melting and casting, and was cut to a height of about 6 mm and subjected to periodic deformation. The alloy according to the embodiment may exhibit an elastic calorie effect by using heat release and absorption that occurs when stress is applied and removed, which converts mechanical energy into thermal energy to cool and heat components such as adjacent parts. Includes use for purposes. The elastic calorie effect for cooling or heating is driven by repeatedly and periodically deforming the material.The mechanical and functional properties of the elastic calorie alloy are deteriorated according to the repeated driving, resulting in a decrease in cooling capacity and heating capacity due to fatigue failure or fatigue. do. Since the fatigue properties of the alloy according to the embodiments are remarkably superior to those of the conventional alloy, the reduction in properties due to fatigue may be remarkably small even under repeated use conditions of 100,000 or more times.

도 1은 합금에 응력을 낮은 변형률(10-4/s)로 주기적으로 인가 및 완화하여 B2-B19 상변태가 가역적으로 일어나는 경우의 응력-변형률 곡선을 나타낸다. 해당 합금의 조성은 (Ti50Cu40Ni10)Si1Sn1 이며, 변형률의 시간에 따른 변화량이 10-4/s 로, 상변태가 발생하여 그 잠열로 인하여 열이 흡수 및 방출되어도 전도에 의하여 시편의 온도는 주변 온도(To)와 동일하게 유지되는 조건(isothermal)에 해당한다. 응력이 인가됨에 따라 B2에서 B19상으로 마르텐사이트 상변태가 발생하며, 그 상변태의 시작(σMs) 및 종료 (σMf) 조건을 도1에서 응력-변형률 곡선이 기울기의 변화에 의하여 확인할 수 있다. 또한 응력을 완화하여 줄 때 B19상에서 B2상으로 오스테나이트 상변태가 발생하며, 그 시작 (σAs) 및 종료 (σAf) 조건을 도1에서 응력-변형률 곡선이 기울기의 변화에 의하여 확인할 수 있다. 해당 합금의 응력유기 상변태는 응력 기준(쿳) 약 240Mpa 이하, 변형률 기준(콸) 1.2% 이하에서 완료될 수 있다.1 shows a stress-strain curve when the B2-B19 phase transformation occurs reversibly by periodically applying and relaxing stress to the alloy at a low strain rate (10 -4 /s). The composition of the alloy is (Ti 50 Cu 40 Ni 10 )Si 1 Sn 1 , and the amount of change in the strain over time is 10 -4 /s, and even if heat is absorbed and released due to the latent heat due to phase transformation, The temperature of the specimen corresponds to the condition (isothermal) that is maintained equal to the ambient temperature (T o ). As the stress is applied, a martensitic phase transformation occurs from B2 to B19 phase, and the conditions of the start (σ Ms ) and end (σ Mf ) of the phase transformation can be confirmed by the change of the slope of the stress-strain curve in FIG. In addition, when the stress is relieved, an austenite phase transformation occurs from the B19 phase to the B2 phase, and the start (σ As ) and end (σ Af ) conditions are confirmed by the change of the slope of the stress-strain curve in FIG. The stress-organic phase transformation of the alloy can be completed at a stress criterion (coot) of about 240Mpa or less and a strain criterion (quantity) of 1.2% or less.

도 2는 합금에 응력을 높은 변형률(10-1/s)로 주기적으로 인가 및 제거되어 B2-B19 상변태가 가역적으로 일어나는 경우의 응력-변형률 곡선을 나타낸다. 합금의 조성은 도1에서와 같은 (Ti50Cu40Ni10)Si1Sn1 이며, 변형률의 시간에 대한 변화량이 10-1/s으로, 약 0.15초 이내에 응력 인가 혹은 응력 완화 과정이 이루어진다. 따라서 응력유기 상변태가 발생함에 따라 방출 및 흡수되는 잠열에 의하여 시편의 온도가 상승 및 감소하며, 이 때 전도가 일어날 충분한 시간이 주어지지 않으므로(quasi-adiabatic) 시편의 온도의 변화에 의하여 잠열의 방출량의 크기를 추정할 수 있다. 도 2의 우측 하단에 삽입된 그래프는 변형률의 시간에 따른 변화량에 따라서 시편의 온도 변화량(ΔT)을 측정한 결과로, 10-1/s보다 더 높은 조건에서는 quasi-adiabatic조건이 충족되며, 이 때 온도 변화량은 약 8도이다. 이 때 시편의 온도 변화량은 적외선 카메라(IR camera)를 활용하여 측정하였으며, 마르텐사이트 및 오스테나이트 상변태에 의한 시편의 정확한 온도변화 뿐만 아니라, 대략적인 잠열의 방출량을 추정할 수 있다. 또한 도 2의 응력-변형률 곡선을 적분하여 얻을 수 있는 에너지 값은 1회 주기당 각 주기에서 마르텐사이트 상변태 및 오스테나이트 상변태를 발생시키기위하여 투입된 일에너지(ΔW)에 해당한다. 이 때 탄성칼로리 효과의 효율에 관한 인자인 (COPmat/COPcarnot)는 하기와 같은 수식에 의하여 계산된다. 2 shows a stress-strain curve when a stress is periodically applied and removed to the alloy at a high strain rate (10 −1 /s) so that a phase transformation of B2-B19 occurs reversibly. The composition of the alloy is (Ti 50 Cu 40 Ni 10 )Si 1 Sn 1 as shown in FIG. 1, and the amount of change in the strain with respect to time is 10 -1 /s, and a stress application or stress relaxation process is performed within about 0.15 seconds. Therefore, as the stress-induced phase transformation occurs, the temperature of the specimen rises and decreases due to the latent heat released and absorbed, and at this time, sufficient time for conduction to occur is not given (quasi-adiabatic). You can estimate the size of The graph inserted in the lower right of FIG. 2 is a result of measuring the temperature change (ΔT) of the specimen according to the change over time of the strain, and the quasi-adiabatic condition is satisfied at a condition higher than 10 -1 /s. When the temperature change is about 8 degrees. At this time, the amount of temperature change of the specimen was measured using an IR camera, and not only the exact temperature change of the specimen due to the martensite and austenite phase transformations, but also the approximate amount of latent heat emission can be estimated. In addition, the energy value obtained by integrating the stress-strain curve of FIG. 2 corresponds to the work energy (ΔW) input to generate the martensite phase transformation and the austenite phase transformation in each period per cycle. At this time, (COP mat / COP carnot ), which is a factor related to the efficiency of the elastic calorie effect, is calculated by the following equation.

Figure 112019008328296-pat00001
Figure 112019008328296-pat00001

(Cp: 재료의 비열)(C p : specific heat of the material)

Figure 112019008328296-pat00002
Figure 112019008328296-pat00002

(TH: 변형주기에서 시편이 도달하는 최대온도(T H : maximum temperature reached by the specimen in the deformation cycle

TC: 변형주기에서 시편이 도달하는 최저온도)T C : the lowest temperature that the specimen reaches in the deformation cycle)

실시예에 따른 (TixCuyNi100 -x-y)100-z- kSizSnk합금 및 기타 탄성칼로리 합금조성에서, 주기적 응력 인가 및 완화에 따라 탄성칼로리 효과가 발생할 때의 To, ΔT, ΔW, COPmat/COPcarnot, 최대 변형률(strain), ΔT/Δε, 최대 응력(Stress), 및 ΔT/Δσ값을 표 1에 나타내었다.In the (Ti x Cu y Ni 100 -xy ) 100-z- k Si z Sn k alloy and other elastic calorie alloy composition according to the embodiment, To, ΔT, when the elastic calorie effect occurs according to the application and relaxation of cyclic stress, Table 1 shows ΔW, COPmat/COPcarnot, maximum strain, ΔT/Δε, maximum stress, and ΔT/Δσ values.

SystemSystem Composition
(at. %)
Composition
(at.%)
To
(K)
To
(K)
ΔT-
(K)
ΔT-
(K)
ΔW
(mJ/mm3)
ΔW
(mJ/mm3)
COPmat/
COPcarnot
COPmat/
COPcarnot
Strain
(%)
Strain
(%)
ΔT/Δε
(K/%)
ΔT/Δε
(K/%)
Stress
(MPa)
Stress
(MPa)
ΔT/Δσ
(K/MPa)
ΔT/Δσ
(K/MPa)
TiNiCuVTiNiCuV Ni45Ti47.25Cu5V2.75Ni45Ti47.25Cu5V2.75 295295 1212 6.67026.6702 0.2390.239 55 2.42.4 500500 0.0240.024 TiNiCuVTiNiCuV Ni45Ti47.25Cu5V2.75
(90th cycle)
Ni45Ti47.25Cu5V2.75
(90th cycle)
295295 1010 4.8914.891 0.2240.224 55 22 500500 0.020.02
TiNiCuVTiNiCuV Ni45Ti47.25Cu5V2.75Ni45Ti47.25Cu5V2.75 295295 6.56.5 0.3360.336 22 3.253.25 420420 0.0150.015 TiNiCuVTiNiCuV Ni45Ti47.25Cu5V2.75Ni45Ti47.25Cu5V2.75 295295 1212 0.5090.509 33 44 480480 0.0250.025 TiNiCuVTiNiCuV Ni45Ti47.25Cu5V2.75Ni45Ti47.25Cu5V2.75 295295 1616 0.5450.545 44 44 530530 0.030.03 TiNiCuVTiNiCuV Ni45Ti47.25Cu5V2.75Ni45Ti47.25Cu5V2.75 295295 1818 0.5520.552 4.654.65 3.8713.871 580580 0.0310.031 TiNiCuCoTiNiCuCo Ti54.7Ni30.7Cu12.3Co2.3
(after 20 cycle)
Ti54.7Ni30.7Cu12.3Co2.3
(after 20 cycle)
300300 3.53.5 0.0910.091 44 0.8750.875 420420 0.0080.008
TiNiCuTiNiCu Ti54.9Ni32.5Cu12.6Ti54.9Ni32.5Cu12.6 298298 6.16.1 4.2134.213 0.0840.084 1.61.6 3.81253.8125 350350 0.0170.017 TiCuNiSiSnTiCuNiSiSn (Ti50Cu40Ni10)98Si1Sn1
(100000th cycle)
(Ti50Cu40Ni10)98Si1Sn1
(100000th cycle)
301301 6.516.51 0.4530.453 0.9130.913 1.351.35 4.82944.8294 300300 0.0220.022
TiCuNiSiSnTiCuNiSiSn (Ti50Cu40Ni10)98Si1Sn1(Ti50Cu40Ni10)98Si1Sn1 298298 7.167.16 0.6320.632 0.8010.801 1.561.56 4.58974.5897 300300 0.0240.024 TiCuNiSiSnTiCuNiSiSn (Ti51Cu44Ni4Si1)98Sn2(Ti51Cu44Ni4Si1)98Sn2 298298 1.7331.733 0.0370.037 0.7520.752 1.61.6 1.08311.0831 600600 0.003 0.003 TiCuNiSiSnTiCuNiSiSn (Ti51Cu43Ni5Si1)98Sn2(Ti51Cu43Ni5Si1)98Sn2 298298 3.1123.112 0.1120.112 0.8050.805 1.651.65 1.88611.8861 600600 0.005 0.005 TiCuNiSiSnTiCuNiSiSn (Ti51Cu41Ni7Si1)98Sn2(Ti51Cu41Ni7Si1)98Sn2 298298 7.1597.159 0.6750.675 0.7200.720 1.821.82 3.93353.9335 600600 0.012 0.012 TiCuNiSiSnTiCuNiSiSn (Ti51Cu37Ni11Si1)98Sn2(Ti51Cu37Ni11Si1)98Sn2 298298 7.5887.588 0.7120.712 0.7780.778 2.122.12 3.57923.5792 600600 0.013 0.013 TiCuNiSiSnTiCuNiSiSn (Ti51Cu33Ni15Si1)98Sn2(Ti51Cu33Ni15Si1)98Sn2 298298 9.9589.958 1.1871.187 0.8030.803 2.532.53 3.9363.936 600600 0.017 0.017 TiCuNiSiSnTiCuNiSiSn (Ti51Cu30Ni18Si1)98Sn2(Ti51Cu30Ni18Si1)98Sn2 298298 10.2410.24 1.3991.399 0.7180.718 2.512.51 4.08094.0809 600600 0.017 0.017 NiTiNiTi Ni50Ti50Ni50Ti50 295295 99 6.66.6 0.1460.146 66 1.51.5 755755 0.0120.012 NiTiNiTi Ni50.375Ti49.625Ni50.375Ti49.625 305305 1515 5.67655.6765 0.4980.498 4.14.1 3.65853.6585 500500 0.030.03 NiTiNiTi Ni50Ti50Ni50Ti50 295295 1717 21.121.1 0.1680.168 8.58.5 22 570570 0.030.03 NiTiNiTi Ni48.9Ti51.1Ni48.9Ti51.1 298298 1717 10.67810.678 0.2670.267 5.85.8 2.9312.931 840840 0.020.02 NiTiNiTi Ni50.4Ti49.6Ni50.4Ti49.6 300300 15.515.5 12.49612.496 0.1880.188 5.35.3 2.92452.9245 550550 0.0280.028 NiTiNiTi Ni50.375Ti49.625Ni50.375Ti49.625 305305 13.513.5 7.22647.2264 0.3150.315 4.84.8 2.81252.8125 500500 0.0270.027 NiTiNiTi Ti49.6Ni50.4Ti49.6Ni50.4 300300 7.47.4 10.97710.977 0.0550.055 77 1.05711.0571 400400 0.0190.019 NiTiNiTi Ti49.6Ni50.4 (trained)Ti49.6Ni50.4 (trained) 298298 3.53.5 2.73972.7397 0.0490.049 77 1.05711.0571 400400 0.0190.019 NiMnInCoNiMnInCo Ni45.7Mn36.6In13.3Co5.1Ni45.7Mn36.6In13.3Co5.1 300300 3.33.3 0.29480.2948 0.2990.299 1.371.37 2.41542.4154 100100 0.0330.033 NiMnInCoNiMnInCo Ni45.7Mn36.6In13.3Co5.1Ni45.7Mn36.6In13.3Co5.1 320320 0.60.6 0.0260.026 0.1040.104 0.60.6 1.00471.0047 100100 0.0060.006 NiMnInCoNiMnInCo Ni45.7Mn36.6In13.3Co5.1Ni45.7Mn36.6In13.3Co5.1 310310 0.80.8 0.13720.1372 0.0360.036 1.121.12 0.71310.7131 100100 0.0080.008 NiMnInCoNiMnInCo Ni45.7Mn36.6In13.3Co5.1Ni45.7Mn36.6In13.3Co5.1 330330 0.20.2 0.02540.0254 0.0110.011 0.520.52 0.38120.3812 100100 0.0020.002 NiMnInNiMnIn Ni48Mn35In17Ni48Mn35In17 313313 44 11.82611.826 0.0140.014 1.41.4 2.85712.8571 220220 0.0180.018 NiMnInNiMnIn Ni48Mn35In17Ni48Mn35In17 318318 3.73.7 10.72410.724 0.0130.013 1.41.4 2.64292.6429 227227 0.0160.016 NiMnInNiMnIn Ni48Mn35In17Ni48Mn35In17 324324 3.13.1 9.81119.8111 0.0100.010 1.41.4 2.21432.2143 248248 0.0130.013 NiFeGaCoNiFeGaCo Ni50Fe19Ga27Co4Ni50Fe19Ga27Co4 348348 10.510.5 0.4730.473 1717 0.61760.6176 300300 0.0350.035 NiFeGaCoNiFeGaCo Ni50Fe19Ga27Co4Ni50Fe19Ga27Co4 318318 22 0.0110.011 17.517.5 0.11430.1143 300300 0.0070.007 Ni2FeGaNi2FeGa Ni54Fe19Ga27
(100th cycle)
Ni54Fe19Ga27
(100th cycle)
300300 66 1.08641.0864 0.3910.391 3.33.3 1.81821.8182 181181 0.0330.033
Ni2FeGaNi2FeGa Ni54Fe19Ga27Ni54Fe19Ga27 298298 8.48.4 2.87692.8769 0.2940.294 1010 0.840.84 7575 0.1120.112 Ni2FeGaNi2FeGa Ni54Fe19Ga27
(1st cycle)
Ni54Fe19Ga27
(1st cycle)
300300 4.24.2 1.34231.3423 0.1540.154 3.63.6 1.16671.1667 177177 0.0240.024
FeRhFeRh Fe49Rh51Fe49Rh51 314314 1One     5656 0.0180.018 FeRhFeRh Fe49Rh51Fe49Rh51 314314 2.472.47     151151 0.0160.016 FeRhFeRh Fe49Rh51Fe49Rh51 314314 3.153.15     238238 0.0130.013 FeRhFeRh Fe49Rh51Fe49Rh51 314314 4.074.07     336336 0.0120.012 FeRhFeRh Fe49Rh51Fe49Rh51 314314 4.724.72     433433 0.0110.011 FeRhFeRh Fe49Rh51Fe49Rh51 314314 5.175.17     529529 0.010.01 FePdFePd Fe68.8Pd31.2Fe68.8Pd31.2 240240 2.32.3 0.14210.1421 0.3730.373 3.683.68 0.6250.625 100100 0.0230.023 FePdFePd Fe68.8Pd31.2Fe68.8Pd31.2 260260 2.12.1 0.11190.1119 0.3640.364 3.223.22 0.65230.6523 100100 0.0210.021 FePdFePd Fe68.8Pd31.2Fe68.8Pd31.2 280280 1.91.9 0.11870.1187 0.2600.260 2.152.15 0.8830.883 100100 0.0190.019 FePdFePd Fe68.8Pd31.2Fe68.8Pd31.2 300300 1.41.4 0.09240.0924 0.1690.169 1.561.56 0.89960.8996 100100 0.0140.014 FePdFePd Fe68.8Pd31.2Fe68.8Pd31.2 350350 0.90.9 0.12820.1282 0.0430.043 0.560.56 1.6021.602 100100 0.0090.009 CuAlZnCuAlZn Cu68Al16Zn16Cu68Al16Zn16 290290 6.86.8 1.73691.7369 0.2970.297 9.79.7 0.7010.701 120120 0.0570.057 CuAlZnCuAlZn Cu68Al16Zn16Cu68Al16Zn16 220220 44 2.04362.0436 0.1150.115 11.111.1 0.36040.3604 275275 0.0150.015 CuAlZnCuAlZn Cu68Al16Zn16Cu68Al16Zn16 300300 44 0.0860.086 3.53.5 1.14291.1429 460460 0.0090.009 CuAlMnCuAlMn Cu73Al15Mn12Cu73Al15Mn12 300300 3.83.8 0.1580.158 3.53.5 1.08571.0857 130130 0.0290.029 CoNiAlCoNiAl Co40Ni33.17Al26.83Co40Ni33.17Al26.83 373373 3.13.1 6.0986.098 0.0140.014 77 0.44290.4429 170170 0.0180.018 NiTiVNiTiV Ni50Ti45.3V4.7 Ni50Ti45.3V4.7 300300 12.512.5 6.71156.7115 0.2600.260 6.86.8 1.83821.8382 300300 0.0420.042 NiTiVNiTiV Ni50Ti45.3V4.7 (trained)Ni50Ti45.3V4.7 (trained) 300300 1111 1.6721.672 0.8030.803 7.37.3 1.50681.5068 300300 0.0370.037

표 1에서, 각 합금 조성의 탄성칼로리 효과의 효율은 COPmat/COPcarnot으로 비교할 수 있으며, 변형률 대비 시편의 온도 변화량 (ΔT/Δε), 및 인가되는 응력대비 시편의 온도 변화량(ΔT/Δσ)을 비교할 수 있다. 이 세 가지 인자는 탄성칼로리 재료를 개발함에 있어 그 수치가 클수록 특성이 우수한 것으로 평가 할 수 있는 기준으로 활용한다. 또한, 본 실시예들에 따른 합금의 피로특성이 기존 합금의 피로특성에 비하여 현저히 우수한 것은, 표 1의 ΔW, 최대 변형률(strain), 및 최대 응력(Stress)값이 낮고, COPmat/COPcarnot, ΔT/Δε, 및 ΔT/Δσ값이 높은 것으로부터 기인한다. 이러한 합금 설계는 재료 내 구성요소인 Ti, Cu, Ni, Si, Sn 원소를 적절한 원소비로 조합함에 따라 구성된다. 본 실시예의 원소 함량의 표기는 원자%를 기준으로 구성된다. In Table 1, the efficiency of the elastic calorie effect of each alloy composition can be compared with COPmat/COPcarnot, and the amount of temperature change of the specimen versus the strain (ΔT/Δε) and the amount of temperature change of the specimen versus the applied stress (ΔT/Δσ) are compared. I can. These three factors are used as a criterion for evaluating that the higher the value, the better the properties when developing an elastic calorie material. In addition, the fact that the fatigue characteristics of the alloys according to the present embodiments are significantly superior to those of the existing alloys is that ΔW, maximum strain, and maximum stress values in Table 1 are low, and COPmat/COPcarnot, ΔT /Δε and ΔT/Δσ values are high. This alloy design is constructed by combining elements of Ti, Cu, Ni, Si, and Sn, which are constituents in the material, in an appropriate element ratio. In this example, the element content is indicated on the basis of atomic percent.

Ti의 원소 함량과 관련된 x는 48내지 52범위일 수 있다. The x related to the elemental content of Ti may range from 48 to 52.

Cu의 원소 함량과 관련된 y는 15내지 44범위일 수 있다. The y related to the elemental content of Cu may range from 15 to 44.

Si의 원소 함량을 나타내는 z는 0내지 3범위일 수 있다. Z indicating the element content of Si may range from 0 to 3.

Sn의 원소 함량을 나타내는 k는 0내지 2일 수 있다. K representing the element content of Sn may be 0 to 2.

x가 49내지 51범위이며, y가 35내지 43범위일 때, -ΔH/ΔW 값이 25이상일 수 있다. When x is in the range of 49 to 51 and y is in the range of 35 to 43, the -ΔH/ΔW value may be 25 or more.

x가 49내지 51범위이며, y가 35내지 43범위이며, z가 0.5내지 2범위일 때, B2 및 B19 2가지 상 만을 포함하는 미세구조를 가질 수 있다. When x is in the range of 49 to 51, y is in the range of 35 to 43, and z is in the range of 0.5 to 2, it may have a microstructure including only two phases B2 and B19.

x가 49내지 51범위이며, y가 35내지 43범위이며, z가 0.5내지 2범이며, k가 0.5 및 1.3범위일 때, 반복 변형에 따라 발생하는 특성 열화가 적어 100,000회 이상 반복 사용이 가능한 초저피로 특성을 나타내거나, 응력유기 상변태에 의한 마르텐사이트 상변태 종료 응력 (σMf)이 350MPa 이하이거나, 응력유기 상변태에 의한 마르텐사이트 상변태 종료 응력 (σMf)이 인가됨에 따라 발생하는 변형률이 2% 이하로 나타나거나, 응력유기 상변태에 의한 마르텐사이트 상변태 종료 응력 (σMf) 이상의 응력을 10만 회 이상 인가하여 반복 변형 시, 오스테나이트 상변태(Martensite → Austenite)의 잠열흡수에 의한 시편 온도 감소량(-ΔT)의 초기값에 대한 10만번째 값의 비(-ΔT100000/-ΔT1)가 0.9이상이거나, 탄성칼로리 효과 효율 인자 COPmat/COPcarnot값이 0.85이상일 수 있다. When x is in the range of 49 to 51, y is in the range of 35 to 43, z is in the range of 0.5 to 2, and k is in the range of 0.5 and 1.3, the characteristic deterioration that occurs due to repeated deformation is small and can be used repeatedly more than 100,000 times. Either shows ultra-low fatigue characteristics, or the martensitic phase transformation end stress (σ Mf ) due to stress-organic phase transformation is less than 350 MPa, or the strain generated by applying the martensitic phase transformation end stress (σ Mf ) due to stress-organic phase transformation is 2% The amount of decrease in specimen temperature due to the latent heat absorption of the austenite phase transformation (Martensite → Austenite) is shown below, or when a stress of more than the martensite phase transformation end stress (σ Mf ) due to the stress-organic phase transformation is applied more than 100,000 times and is repeatedly deformed (- The ratio of the 100,000th value (-ΔT 100000 /-ΔT 1 ) to the initial value of ΔT) may be 0.9 or more, or the elastic calorie effect efficiency factor COP mat /COP carnot value may be 0.85 or more.

실시예들에 따른 합금은, 종래의 합금에 비해 현저하게 높은 COPmat/COPcarnot값을 가져 고효율의 탄성 칼로리 효과를 나타낼 수 있으며, 현저하게 우수한 피로 특성에 의하여 반복 사용 가능한 횟수가 현저히 높을 수 있다. 피로 특성이 우수한지 여부는 반복 변형시 응력-변형률 곡선이 초기 응력-변형률 곡선과 형태가 크게 달라지는지, 잔류 변형량이 크게 존재하는지, 그리고 반복 변형 시 ΔT-시간 곡선이 초기 ΔT-시간 곡선과 형태가 크게 달라지는지, 최대 및 최저 온도값이 상대적으로 크게 감소하는지를 기준으로 판단할 수 있다. 피로특성이 좋지 않은 종래의 합금의 경우 반복 변형이 진행됨에 따라 응력-변형률 곡선 및 ΔT-시간 곡선이 크게 변화하므로, 이 곡선들이 안정화될 수 있도록 합금의 기계적 트레이닝(mechanical training) 과정을 수십 내지 수백 회 이상 모든 시편에 대하여 적용하여야 하는 단점이 있으며, 기능적 특성(온도 감소량 등)이 열화되는 특징이 있다. 또한 종래의 피로특성이 우수한 TiNiCu등의 탄성칼로리 합금은 벌크 형태로 제조할 수 없어 수백 마이크로미터 이하의 두께를 갖는 박판으로 제조하는 것만이 가능하였으나, 본 실시예들에 따른 초저피로 벌크 탄성칼로리 합금은, 벌크 형태로 제조할 수 있으면서도 피로 특성이 종래의 합금에 비하여 현저히 우수하여, 변형 초기부터 매우 안정적인 응력 변형률 곡선 및 ΔT-시간 곡선을 나타내며, 기계적 트레이닝 과정 없이 100,000회 이상 반복 사용이 가능하다. 본 명세서에서 실시예들에 따른 합금에 대한 측정결과들은 기계적 트레이닝 과정 없이 측정된 것이다. The alloy according to the embodiments may exhibit a high-efficiency elastic calorie effect by having a significantly higher COP mat / COP carnot value than that of a conventional alloy, and the number of repeated uses may be remarkably high due to remarkably excellent fatigue properties. . Whether the fatigue properties are excellent depends on whether the shape of the stress-strain curve greatly differs from the initial stress-strain curve during repeated deformation, whether there is a large amount of residual deformation, and the ΔT-time curve in the case of repeated deformation is the initial ΔT-time curve and the shape. It can be determined on the basis of whether is significantly different or whether the maximum and minimum temperature values decrease relatively significantly. In the case of a conventional alloy with poor fatigue properties, the stress-strain curve and the ΔT-time curve greatly change as the cyclic deformation progresses, so that the mechanical training process of the alloy is performed in the order of tens to hundreds of these curves to be stabilized. There is a disadvantage that must be applied to all specimens more than once, and there is a characteristic that functional properties (temperature reduction, etc.) deteriorate. In addition, conventional elastic calorie alloys such as TiNiCu, which have excellent fatigue properties, cannot be manufactured in a bulk form, so it is possible to manufacture only thin plates having a thickness of several hundred micrometers or less, but ultra-low fatigue bulk elastic calorie alloys according to the present embodiments. Silver, which can be manufactured in a bulk form, has significantly superior fatigue properties compared to conventional alloys, shows a very stable stress strain curve and ΔT-time curve from the beginning of deformation, and can be repeatedly used more than 100,000 times without a mechanical training process. In the present specification, the measurement results of the alloy according to the embodiments are measured without a mechanical training process.

도 3은 실시예에 따른 (Ti50Cu15Ni35)Si1Sn1, (Ti50Cu20Ni3)Si1Sn1, (Ti50Cu30Ni20)Si1Sn1, (Ti50Cu40Ni10)Si1Sn1, (Ti50Cu43Ni7)Si1Sn1조성의 합금에 응력을 낮은 변형률(10-4/s)로 최대 500MPa까지 인가 후 완화하였을 때의 응력-변형률 곡선을 나타낸다. 각 응력-변형률 곡선의 응력-변형률 곡선이 기울기의 변화가 일어나는 시점으로부터, 응력이 인가됨에 따라 B2에서 B19상으로 마르텐사이트 상변태가 발생할 때의 σMs 및 σMf, 응력을 완화하여 줄 때 B19상에서 B2상으로 오스테나이트 상변태가 발생할 때의 σAs 및 σAf 조건을 확인할 수 있고, 적분을 통하여 ΔW값을 알 수 있다. 저피로 특성의 구현을 위해서는 ΔW값이 낮을수록 바람직하며, 주기적 상변태 거동의 동작을 위한 최대 응력인 σMf값이 낮을수록 바람직하다.3 shows (Ti 50 Cu 15 Ni 35 )Si 1 Sn 1 , (Ti 50 Cu 20 Ni 3 )Si 1 Sn 1 , (Ti 50 Cu 30 Ni 20 )Si 1 Sn 1 , (Ti 50 Cu) 40 Ni 10 )Si 1 Sn 1 , (Ti 50 Cu 43 Ni 7 ) Si 1 Sn 1 Stress-strain curve when stress is applied to an alloy with a low strain (10 -4 /s) up to 500 MPa and then relaxed Represents. The stress-strain curve of each stress-strain curve is σ Ms and σ Mf when the martensitic phase transformation occurs from the point where the slope change occurs, from B2 to B19 phase as the stress is applied, and in B19 phase when the stress is relieved. Σ As and σ Af when the austenite phase transformation occurs into the B2 phase The condition can be checked, and the ΔW value can be known through the integration. In order to realize the low fatigue characteristic, the lower the ΔW value is, the more preferable the lower the σ Mf value, which is the maximum stress for the operation of the periodic phase transformation behavior.

실시예에 따른 (Ti50Cu15Ni35)Si1Sn1, (Ti50Cu20Ni3)Si1Sn1, (Ti50Cu30Ni20)Si1Sn1, (Ti50Cu40Ni10)Si1Sn1, (Ti50Cu43Ni7)Si1Sn1조성의 합금을 DSC(Differential Scanning Calorimetry, 시차주사열량측정법)를 통하여 온도유기 마르텐사이트 상변태의 시작(Ms) 및 종료(Mf) 온도, 온도유기 오스테나이트 상변태의 시작(As) 및 종료(Af) 온도, 그리고 잠열(-ΔH)을 측정하였고, Ms, Mf, As, Af, 및 ΔW값에 대한 잠열(-ΔH)값의 비를 표 2에 나타내었다.(Ti 50 Cu 15 Ni 35 )Si 1 Sn 1 , (Ti 50 Cu 20 Ni 3 )Si 1 Sn 1 , (Ti 50 Cu 30 Ni 20 )Si 1 Sn 1 , (Ti 50 Cu 40 Ni 10) )Si 1 Sn 1 , (Ti 50 Cu 43 Ni 7 ) Si 1 Sn 1 The alloy of the composition was subjected to DSC (Differential Scanning Calorimetry) to initiate temperature-organic martensite phase transformation (M s ) and end (M f ) Temperature, the start (A s ) and end (A f ) temperature of the organic austenite phase transformation, and the latent heat (-ΔH) were measured, and the M s , M f , A s , A f , and ΔW values were measured. Table 2 shows the ratio of latent heat (-ΔH) values.

Composition
(at. %)
Composition
(at.%)
-ΔH/ΔW-ΔH/ΔW As (℃)A s (℃) Mf (℃)M f (℃) Ms (℃)M s (℃) Af (℃)A f (℃)
(Ti50Cu15Ni35)Si1Sn1ㄴ (Ti 50 Cu 15 Ni 35 ) Si 1 Sn 1ㄴ 12.7212.72 4.984.98 -10.1-10.1 -0.66-0.66 16.4616.46 (Ti50Cu20Ni3)Si1Sn1 (Ti 50 Cu 20 Ni 3 ) Si 1 Sn 1 15.7315.73 11.1811.18 -0.73-0.73 9.129.12 23.1523.15 (Ti50Cu30Ni20)Si1Sn1 (Ti 50 Cu 30 Ni 20 ) Si 1 Sn 1 18.4118.41 3.253.25 -4.72-4.72 9.929.92 20.4620.46 (Ti50Cu40Ni10)Si1Sn1 (Ti 50 Cu 40 Ni 10 ) Si 1 Sn 1 30.0930.09 -4.3-4.3 -10.7-10.7 5.315.31 24.7524.75 (Ti50Cu43Ni7)Si1Sn1 (Ti 50 Cu 43 Ni 7 ) Si 1 Sn 1 29.8829.88 4.754.75 -5.29-5.29 12.0112.01 19.0219.02

각 조성에서 상변태 온도와 관련된 인자인 Ms, Mf, 및 As 값은 반드시 동작환경 온도에 해당하는 To보다 모두 낮아야 하며, Af 값 또한 To보다 낮은 조건이 잔류변형이 적게 발생하므로 바람직하다. 표 1을 참고하면, 이를 모두 만족한다. 또한 ΔW값에 대한 잠열(-ΔH)값의 비는 탄성칼로리 효과의 구현을 위하여 투입된 기계적 에너지 대비 재료가 방출 혹은 흡수 가능한 열 에너지의 비율로, 이 값이 클수록 탄성칼로리 특성이 우수할 가능성이 있어 바람직하다. In each composition factor, M s, M f, and A s the value related to the phase transformation temperature is necessarily and lower both than T o corresponding to the operation environmental temperature, since the A f value is also the low criteria than T o generation less residual strain desirable. Referring to Table 1, all of these are satisfied. In addition, the ratio of the latent heat (-ΔH) value to the ΔW value is the ratio of the heat energy that the material can release or absorb to the mechanical energy input to realize the elastic calorie effect, and the higher this value, the better the elastic calorie property. desirable.

도 4는 실시예에 따른 (Ti50Cu15Ni35)Si1Sn1, (Ti50Cu20Ni3)Si1Sn1, (Ti50Cu30Ni20)Si1Sn1, (Ti50Cu40Ni10)Si1Sn1, (Ti50Cu43Ni7)Si1Sn1조성의 합금을 DSC 측정 및 주기적으로 응력을 인가 및 완화하며 응력-변형률 곡선을 측정하여 ΔW값에 대한 잠열(-ΔH)값의 비를 각 조성의 Cu 함량에 따라서 나타낸 것이다. 실시예에 따른 합금 조성 중 (Ti50Cu40Ni10)Si1Sn1조성이 가장 높은 값을 나타내었으며, 이에 따라 탄성칼로리 효율이 가장 우수할 것으로 예상되는 조성에 해당한다.4 shows (Ti 50 Cu 15 Ni 35 )Si 1 Sn 1 , (Ti 50 Cu 20 Ni 3 )Si 1 Sn 1 , (Ti 50 Cu 30 Ni 20 )Si 1 Sn 1 , (Ti 50 Cu) 40 Ni 10 )Si 1 Sn 1 , (Ti 50 Cu 43 Ni 7 )Si 1 Sn 1 By DSC measurement and periodically applying and releasing stress on the alloy, and measuring the stress-strain curve, the latent heat for the ΔW value (- The ratio of ΔH) values is shown according to the Cu content of each composition. Among the alloy compositions according to the examples, (Ti 50 Cu 40 Ni 10 )Si 1 Sn 1 composition showed the highest value, and thus corresponds to the composition expected to have the best elastic calorie efficiency.

도 5는 실시예에 따른 (Ti50Cu40Ni10)Si1Sn1조성의 합금에 응력을 높은 변형률(10-1/s)로 주기적으로 인가 및 제거하여 B2-B19 상 변태가 가역적으로 일어나는 경우의 응력-변형률 곡선을 반복주기에 따라서 나타낸 것이다. 응력 인가 및 완화 주기가 100,000회까지 반복되어도 응력-변형률 곡선상의 변화가 뚜렷하지 않으며, 초기 응력-변형률 곡선 대비 100,000회 변형 시 잔류 변형량이 0.17%에 불과하다. 본 실시예에 따른 (Ti50Cu40Ni10)Si1Sn1조성의 합금은 응력유기 마르텐사이트 및 오스테나이트 상변태가 발생할 수 있는 충분히 높은 응력 및 변형률로 주기적 변형을 하였음에도 불구하고, 잔류 변형량이 매우 낮은 초저피로 특성을 나타내었다. NiTi계 합금의 경우 변형 주기가 100회 이상 반복될 경우 잔류 변형량이 2% 이상 발생할 수 있는 경우에 비하여 피로특성이 매우 우수하다. 5 is a B2-B19 phase transformation reversibly occurs by periodically applying and removing stress to the alloy of the (Ti 50 Cu 40 Ni 10 ) Si 1 Sn 1 composition according to the embodiment at a high strain rate (10 -1 /s). The stress-strain curve of the case is shown according to the repetition period. Even if the stress application and relaxation cycle is repeated up to 100,000 times, the change in the stress-strain curve is not clear, and the residual deformation amount is only 0.17% for 100,000 times of deformation compared to the initial stress-strain curve. The alloy of the composition of (Ti 50 Cu 40 Ni 10 ) Si 1 Sn 1 according to this embodiment was subjected to periodic deformation at sufficiently high stress and strain to cause stress-induced martensite and austenite phase transformation, but the residual deformation amount was very It exhibited low and ultra-low fatigue characteristics. In the case of NiTi-based alloys, when the deformation cycle is repeated more than 100 times, the fatigue property is very good compared to the case where the residual deformation amount can occur more than 2%.

도 6은 실시예에 따른 (Ti50Cu40Ni10)Si1Sn1조성의 합금에 응력을 높은 변형률(10-1/s)로 주기적으로 인가 및 제거하여 B2-B19 상 변태가 가역적으로 일어나는 경우의 시편의 온도 변화를 적외선 카메라로 측정한 ΔT-시간 곡선을 반복주기에 따라서 나타낸 것이다. 응력 인가 및 완화 주기가 100,000회까지 반복되어도 ΔT-시간 곡선상의 변화가 뚜렷하지 않아, 초기 ΔT-시간 곡선 대비 100,000회 이상 변형 시 B19에서 B2로의 오스테나이트 상변태에 의한 온도 감소량(-ΔT)이 평균 6.2%에 불과하다. NiTi계 합금의 경우 변형 주기가 100회 이상 반복될 경우 초기 ΔT-시간 곡선 대비 온도 감소량(-ΔT)의 감소율이 50% 이상 발생할 수 있는 경우에 비하여 피로특성이 매우 우수하다.6 is a B2-B19 phase transformation reversibly occurs by periodically applying and removing stress to the alloy of the (Ti 50 Cu 40 Ni 10 )Si 1 Sn 1 composition according to the embodiment at a high strain rate (10 -1 /s). The ΔT-time curve measured by the infrared camera for the temperature change of the specimen in the case is shown according to the repetition period. Even if the stress application and relaxation cycle is repeated up to 100,000 times, the change on the ΔT-time curve is not clear, so the average amount of temperature decrease (-ΔT) due to the austenite phase transformation from B19 to B2 when it is deformed more than 100,000 times compared to the initial ΔT-time curve. It is only 6.2%. In the case of the NiTi-based alloy, when the deformation cycle is repeated more than 100 times, the fatigue property is very good compared to the case where the reduction rate of the temperature decrease (-ΔT) compared to the initial ΔT-time curve can occur by 50% or more.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.Although the preferred embodiments of the present invention have been described in detail above, the scope of the present invention is not limited thereto, and various modifications and improvements by those skilled in the art using the basic concept of the present invention defined in the following claims are also present. It belongs to the scope of rights of

Claims (11)

삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 하기 화학식으로 표시되고,
응력유기 상변태에 의한 마르텐사이트 상변태 종료 응력 (σMf)이 300MPa 이하이며,
탄성칼로리 효과 효율 인자 COPmat/COPcarnot값이 0.85이상이며,
Ti, Cu, Ni, Si 그리고 Sn을 포함하는 초저피로 벌크 탄성칼로리 합금.
[화학식]
(TixCuyNi100-x-y)100-z-kSizSnk
(상기 화학식에서, 49≤x≤51, 35≤y≤43, 0.5≤z≤2 이며, 0.5≤k<1.3 이다.)
It is represented by the following formula,
Martensite phase transformation end stress (σ Mf ) due to stress-organic phase transformation is 300 MPa or less,
The elastic calorie effect efficiency factor COP mat / COP carnot value is 0.85 or more,
Ultra-low fatigue bulk elastic calorie alloy containing Ti, Cu, Ni, Si and Sn.
[Chemical Formula]
(Ti x Cu y Ni 100-xy ) 100-zk Si z Sn k
(In the above formula, 49≤x≤51, 35≤y≤43, 0.5≤z≤2, and 0.5≤k<1.3.)
삭제delete 청구항 6에 있어서,
상기 합금이 응력유기 상변태에 의한 마르텐사이트 상변태 종료 응력 (σMf)이 인가됨에 따라 발생하는 변형률이 2% 이하인 것을 특징으로 하는 초저피로 벌크 탄성칼로리 합금.
The method of claim 6,
An ultra-low fatigue bulk elastic calorie alloy, wherein the alloy has a strain rate of 2% or less when a martensitic phase transformation end stress (σ Mf ) is applied due to a stress-organic phase transformation.
청구항 6에 있어서,
상기 합금이 응력유기 상변태에 의한 마르텐사이트 상변태 종료 응력 (σMf) 이상의 응력을 10만 회 이상 인가하여 반복 변형시 잔류 변형량이 0.5% 이하인 것을 특징으로 하는 초저피로 벌크 탄성칼로리 합금.
The method of claim 6,
An ultra-low fatigue bulk elastic calorie alloy, wherein the alloy has a residual deformation amount of 0.5% or less during repeated deformation by applying a stress equal to or greater than the martensitic phase transformation end stress (σ Mf ) caused by stress-organic phase transformation by 100,000 times or more.
청구항 6에 있어서,
상기 합금이 응력유기 상변태에 의한 마르텐사이트 상변태 종료 응력 (σMf) 이상의 응력을 10만회 이상 인가하여 반복 변형시, 오스테나이트 상변태(Martensite → Austenite)의 잠열흡수에 의한 시편 온도 감소량(-ΔT)의 초기값에 대한 10만번째값의 비(-ΔT100 ,000/-ΔT1)가 0.9이상인 것을 특징으로 하는 초저피로 벌크 탄성칼로리 합금.
The method of claim 6,
When the alloy is repeatedly deformed by applying a stress equal to or greater than the martensitic phase transformation end stress (σ Mf ) caused by the stress-organic phase transformation more than 100,000 times, the specimen temperature decrease (-ΔT) due to the latent heat absorption of the austenite phase transformation (Martensite → Austenite) Ultra-low fatigue bulk elastic calorie alloy, characterized in that the ratio of the 100,000th value to the initial value (-ΔT 100 ,000 /-ΔT 1 ) is 0.9 or more.
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