Le leghe a memoria di forma nichel-titanio (NiTi) (SMA) sono leghe metalliche uniche che possono essere allungate o piegate quando sono fredde, e mantengono la forma, solo per tornare alla loro forma originale quando vengono riscaldate. Ciò rende le SMA NiTi utili per un’ampia gamma di dispositivi: impianti chirurgici, valvole anti-scottatura, attuatori motorizzati e altro ancora. Poiché gli SMA rispondono al calore, i ricercatori si affidano alle termocamere per comprendere meglio il loro comportamento.

La sfida: Cattura di comportamenti termici non uniformi in materiali complessi

Le SMA NiTi sono tra i materiali più promettenti per le tecnologie di refrigerazione a stato solido, grazie al loro notevole effetto elastocalorico (eCE) e alla superelasticità. Tuttavia, la caratterizzazione accurata del loro comportamento termico, specialmente in condizioni di stress meccanico, rimane una sfida complessa.

“È ben consolidato che la temperatura di alcune leghe a memoria di forma speciale varia sotto stress applicato”, spiega il Dott. Ruien Hu, Scientific Officer di PolyU. “In precedenza utilizzavamo termocoppie per misurare le variazioni di temperatura, ma la loro capacità di misurazione a punto singolo non era sufficiente per catturare la distribuzione non uniforme della temperatura tra i campioni, in particolare data la natura eterogenea delle leghe di NiTi.”

La necessità di una termografia a campo intero e ad alta velocità

Per superare queste limitazioni, il Dott. Hu e il suo team si sono rivolti a FLIR per una termocamera di livello scientifico appropriata. Hanno scelto FLIR X8583, una termocamera midwave ad alta velocità dotata di ottiche, filtri e software avanzati.

“La nostra configurazione sperimentale prevede l’uso di una macchina di test di trazione per condurre test di trazione e compressione sulle leghe a memoria di forma”, afferma il Dott. Hu.

"Contemporaneamente, la termocamera FLIR registra e analizza le variazioni di temperatura sotto stress. Questa capacità è essenziale per comprendere la risposta elastocalorica.”

La termocamera FLIR X8583 offre la termografia ad alta velocità 1280 × 1024 di cui il team aveva bisogno per visualizzare distribuzioni disomogenee della temperatura superficiale durante i cicli di carico meccanico, offrendo informazioni che i sensori tradizionali non potevano fornire.

Termocamera FLIR X8583

Scoperta scientifica: Disomogeneità termica basata su microstrutture

In un recente studio, il team ha utilizzato Laser Powder Bed Fusion (LPBF) per fabbricare leghe di NiTi con composizione quasi equiatomica. Hanno scoperto una significativa disomogeneità nell’effetto elastocalorico, con una differenza di temperatura fino a 4,2 K in un singolo campione.

“L’imaging a infrarossi ha rivelato che la distribuzione della temperatura superficiale era disomogenea durante gli effetti elastocalorici indotti dalla compressione”, osserva il Dott. Hu. “Ciò è dovuto principalmente alla microstruttura non uniforme delle leghe NiTi fabbricate da LPBF.”

Campioni in lega NiTi realizzati da LPBF

La morfologia della polvere

La termografia FLIR ha catturato regioni a strisce ad alta e bassa temperatura, aiutando il team a collegare le dimensioni dei grani, la densità di dislocazione e la distribuzione dei precipitati alle prestazioni funzionali del materiale.

Curva di trasformazione di fase della polvere

Testimonianza: Il vantaggio di FLIR nella ricerca

"L'alta risoluzione della termocamera FLIR è particolarmente vantaggiosa per la nostra ricerca, poiché i nostri campioni sono relativamente piccoli. Inoltre, l'eccezionale frame rate della termocamera ci consente di acquisire rapidamente variazioni di temperatura con precisione, fondamentali per la nostra analisi. FLIR ha migliorato significativamente le nostre capacità sperimentali, consentendoci di scoprire il comportamento termico intrinseco dei nostri campioni con maggiore dettaglio e accuratezza", afferma il Dott. Hu.

Risultato: Comprensione e impatto scientifico migliorati

Con i potenti strumenti FLIR, il team di ricerca è stato in grado di:

• Identificare il ruolo della disomogeneità microstrutturale nella distribuzione della temperatura
• Acquisisci risposte termiche a campo intero durante i test meccanici ciclici
• Ottieni nuove informazioni sulla super elasticità e sull’affaticamento funzionale
• Dimostrare un recupero del 96,1% dopo il primo ciclo, evidenza di eccellente super elasticità

Questi risultati stanno contribuendo a una più ampia iniziativa di ricerca per far progredire le tecnologie di raffreddamento a stato solido e la progettazione adattiva dei materiali.

Supporto ed esplorazione futura

Il team attribuisce inoltre il supporto tecnico di FLIR per il suo successo:

"Abbiamo tratto grande vantaggio dalla guida del rappresentante FLIR, Liu Yongbo, che ha contribuito a risolvere diverse sfide tecniche. Non vediamo l’ora di continuare a collaborare e supportare la nostra ricerca in continua evoluzione.”

Il Dott. Hu e il suo team sono anche interessati a partecipare a conferenze per gli utenti e forum scientifici FLIR per condividere informazioni e promuovere la collaborazione all’interno della comunità di ricerca.

Strumenti FLIR in uso

• Termocamera FLIR X8583
• Obiettivo MWIR f/4 3-5 μm MTR
• Research Studio – Professional Edition
• Intervallo di calibrazione termografica: Da -20 °C a 1500 °C

Conclusioni: Rileva il non rilevabile con FLIR X8583

La termocamera ad alta velocità FLIR X8583 è diventata uno strumento di ricerca essenziale presso PolyU, grazie alla visualizzazione termica rapida e a campo intero. Consente agli scienziati di esplorare le dinamiche termiche nascoste di materiali avanzati come le leghe NiTi, dati che sarebbero impossibili da acquisire con i sensori convenzionali.

La FLIR X8583 non solo registra la temperatura, ma ne scopre anche la scienza. Dalla rivelazione di comportamenti microstrutturali all'accelerazione dell'innovazione nei materiali intelligenti e nel raffreddamento a stato solido, FLIR continua a spingersi oltre i limiti del possibile nella ricerca termica.

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FLIR X8583