Des matériaux élastocaloriques efficaces et fiables

Des matériaux qui, sous l’effet de contraintes, subissent un changement d’état sont dits élastocaloriques. On peut en effet exploiter la chaleur latente mise en jeu lors du changement d’état pour émettre ou absorber de la chaleur. Dans ce dernier cas, on obtient un système de réfrigération à état solide.
Jusqu’ici le rendement d’un tel système de réfrigération était limité par la chaleur dégagée par l’hystérèsis.

On dit qu’un système présente de l’hystérésis quand, pour aller d’un état à un autre, il suit un chemin différent selon le sens du parcours.


Des chercheurs de l’University of Maryland, College Park, USA, de l’Ames Laboratory, Ames, USA, Colorado School of Mines, Golden, USA, de Xi’an Jaolong University, Xi’an, Chine et de Iowa State University, Ames, USA, ont réussi à obtenir des matériaux élastocaloriques à faible hystérèsis et grande efficacité thermodynamique par fusion locale au laser de poudres  de nickel et de titane.

La figure ci-dessous schématise le cycle utilisé dans un réfrigérateur à compresseur et celui correspondant à un réfrigérateur à élastocalorique.

Fig.1.Cycles de réfrigération a) Cycle classique de réfrigérateur à compresseur. Il utilise un changement d'état liquide-gaz déclenché par la compression. b) Cycle de réfrigérateur à élastocalorique. Il utilise le changement d'état constitué par le changement de forme au passage d'une température critique. Adapté de Solid-state cooling with caloric materials, Ichiro Takeuchi and Karl Sandeman, Phys. Today 68, 12, 48 (2015); avec autorisation.

Fig.1.Cycles de réfrigération
a) Cycle classique de réfrigérateur à compresseur. Il utilise un changement d’état liquide-gaz déclenché par la compression.
b) Cycle de réfrigérateur à élastocalorique. Il utilise le changement d’état constitué par le changement de forme au passage d’une température critique.
Adapté de Solid-state cooling with caloric materials, Ichiro Takeuchi and Karl Sandeman, Phys. Today 68, 12, 48 (2015); avec autorisation.

On voit que ces deux cycles thermodynamiques présentent des analogies.

L’alliage à mémoire de forme NiTi présente un effet élastocalorique important dû à un très important changement de forme à une température critique. On conçoit que l’application d’une contrainte dans un domaine de température voisin puisse entraîner un fort transfert de chaleur, donc un effet élastocalorique important.

Un alliage à mémoire de forme (AMF) possède des propriétés remarquables : il a la capacité  de garder en mémoire une forme initiale et de la reprendre même après déformation. Il a aussi celle d’alterner entre deux formes mémorisées lors du passage de part et d’autre d’une température critique.

Dans le cas de l’alliage Ni Ti envisagé jusqu’ici pour réaliser un réfrigérateur élastocalorique, l’hystérésis élevée entraîne une perte d’énergie dissipée en chaleur et exclut l’utilisation de ce dispositif.

Tout le mérite des chercheurs est d’avoir imaginé et mis en œuvre une préparation de l’alliage à mémoire de forme qu’est NiTi qui réduit presque totalement son hystérésis. Pour cela ils ont synthétisé ce composé sous la forme d’une matrice d’alliage NiTi contenant des composés intermétalliques NixTi de taille nanoscopique.

La technique utilisée est celle du dépôt par énergie laser agissant sur des poudres métalliques composantes de l’alliage souhaité.

La Fig.2. ci-dessous schématise le procédé :

Fig.2. Obtention de nanocomposés NiTi élastocaloriques par dépôt de poudres métalliques fondues au laser A) Schéma du procédé de fusion laser. Les flux de Ni et Ti sont contrôlés séparément. Ces poudres sont mélangées puis exposées au faisceau laser. Le métal fondu est déplacé pour construire le solide désiré par couches successives, un peu comme une imprimante 3D B – C) Photographies de dessus et de côté d'un barreau Ni-Ti nano-composé D - E) Idem pour un tube F - G) Idem pour une structure en nid d'abeille. Adapté de Fatigue-resistant high-performance elastocaloric materials made by additive manufacturing Huilong Hou, Emrah Simsek, Tao Ma, Nathan S. Johnson, Suxin Qian, Cheikh Cissé, Drew Stasak, Naila Al Hasan, Lin Zhou, Yunho Hwang, Reinhard Radermacher, Valery I. Levitas, Matthew J. Kramer, Mohsen Asle Zaeem, Aaron P. Stebner, Ryan T. Ott, Jun Cui, Ichiro Takeuchi Science 366, 1116–1121 (2019) 29 November 2019, avec autorisation.

Fig.2. Obtention de nanocomposés NiTi élastocaloriques par dépôt de poudres métalliques fondues au laser
A) Schéma du procédé de fusion laser. Les flux de Ni et Ti sont contrôlés séparément. Ces poudres sont mélangées puis exposées au faisceau laser. Le métal fondu est déplacé pour construire le solide désiré par couches successives, un peu comme une imprimante 3D
B – C) Photographies de dessus et de côté d’un barreau Ni-Ti nano-composé
D – E) Idem pour un tube
F – G) Idem pour une structure en nid d’abeille.
Adapté de Fatigue-resistant high-performance elastocaloric
materials made by additive manufacturing
Huilong Hou, Emrah Simsek, Tao Ma, Nathan S. Johnson, Suxin Qian, Cheikh Cissé, Drew Stasak, Naila Al Hasan, Lin Zhou, Yunho Hwang, Reinhard Radermacher, Valery I. Levitas, Matthew J. Kramer, Mohsen Asle Zaeem, Aaron P. Stebner, Ryan T. Ott, Jun Cui, Ichiro Takeuchi
Science 366, 1116–1121 (2019) 29 November 2019, avec autorisation.

A la différence du NiTi obtenu classiquement, celui dû à la technique exposée ci-dessus n’a qu’une hystérésis extrêmement faible.  Cela lui confère une efficacité thermodynamique ( chaleur transférée/énergie consommée) 4 à 7 fois plus élevée que celle des alliages à mémoire de forme standards.  En outre il garde ses propriétés  élastocaloriques après un million de cycles, démontrant ainsi une résistance hors pair à la fatigue des matériaux.

 

Ce matériau élastocalorique basé sur NiTi est d’une exceptionnelle stabilité et d’une extraordinaire efficacité. Ces qualités sont dues à sa structure particulière, une matrice NiTi contenant des composés NixTi de taille nanoscopique.
Ceci s’obtient par la fabrication additive exposée plus haut. Elle ouvre la voie à l’optimisation du pouvoir réfrigérant des élastocaloriques qui peuvent servir aussi bien de réfrigérants que de pompes à chaleur.

 

 

 

 

 

Pour en savoir plus :

Fatigue-resistant high-performance elastocaloric materials made by additive manufacturing
Huilong Hou, Emrah Simsek, Tao Ma, Nathan S. Johnson, Suxin Qian, Cheikh Cissé, Drew Stasak, Naila Al Hasan, Lin Zhou, Yunho Hwang, Reinhard Radermacher, Valery I. Levitas, Matthew J. Kramer, Mohsen Asle Zaeem, Aaron P. Stebner, Ryan T. Ott, Jun Cui, Ichiro Takeuchi
Science 366, 1116–1121 (2019) 29 November 2019

Solid-state cooling with caloric materials
Ichiro Takeuchi and Karl Sandeman
Phys. Today 68, 12, 48 (2015); doi: 10.1063/PT.3.3022