Cilj 1: Procesiranje in izdelava elastokaloričnih materialov na osnovi Cu-Al-Mn.

V okviru prvega cilja projekta smo v delovnem sklopu 1 (DS1) raziskovali izdelavo in elastokalorični efekt zlitin Cu–Al–Mn, ki sodijo med najobetavnejše elastokalorične materiale (eKM). Izvajali smo usmerjeno procesiranje, izdelavo in vrednotenje zlitin z namenom doseganja ciljnih lastnosti, tj. temperature zaključka avstenitne transformacije v območju −10 °C ≤ Af ≤ 0 °C, zadostne stabilnosti materiala ter izrazitega elastokaloričnega efekta. Z obločnim taljenjem in litjem v bakren kalup smo pripravili serijo zlitin z različnimi razmerji Al in Mn ter uporabili tehniko anomalne rasti zrn za približevanje monokristalni mikrostrukturi. Rezultati so pokazali, da zlitine brez dodatkov ne omogočajo natančnega uravnavanja temperature Af, saj le-ta leži bodisi nad bodisi pod ciljnim območjem. Z anomalno rastjo zrn smo dosegli grobozrnato oziroma kvazi-monokristalno mikrostrukturo, vendar monokristala ni bilo mogoče doseči.

Za natančnejše uravnavanje transformacijskih temperatur smo uvedli dodatek kositra (Sn), ki se je izkazal kot ključen parameter. Sn omogoča sistematično zniževanje temperatur As in Af ter njihovo prilagoditev ciljnemu območju, pri čemer Af preide v negativno območje že pri nizkih vsebnostih. Hkrati Sn povzroča rafinacijo zrn, kar predstavlja ugodno izhodišče za nadaljnje procesiranje. Pri cikličnem toplotnem procesiranju se anomalna rast zrn sproži že v začetnih ciklih, nato pa doseže zasičenje; mikrostruktura postane heterogena z zelo velikimi zrni (do mm), kar kaže na približevanje kvazi-monokristalni strukturi, vendar monokristalnosti kljub temu ni bilo mogoče doseči.

Funkcionalnost zlitin smo ovrednotili z DSC, meritvami električne upornosti ter mehanskimi preizkusi. Dosegli smo adiabatsko spremembo temperature nad 7 K (npr. CuAl8.5Mn9.5Sn1), pri čemer sta DSC in R(T) pokazala dobro skladnost ter stabilnost transformacij v omejenem temperaturnem območju. Kljub temu smo identificirali ključne omejitve zaradi polikristalne mikrostrukture, kot so visoke potrebne napetosti, zaostali martenzit in funkcionalna utrujenost, kar zmanjšuje reverzibilnost in stabilnost odziva. Znanstveni članek, ki obravnava procesiranje in elastokalorične lastnosti Cu–Al–Mn–Sn zlitin, je trenutno v pripravi.

Na podlagi rezultatov ugotavljamo, da je bil cilj v pretežni meri dosežen, saj smo razvili zlitine Cu–Al–Mn(–Sn) z nastavljivimi transformacijskimi temperaturami in merljivim elastokaloričnim učinkom ter vzpostavili ključne procesne pristope. Zaradi omejitev anomalne rasti zrn pri doseganju monokristalne mikrostrukture se bomo v nadaljevanju osredotočili na uporabo Bridgmanove metode za izdelavo monokristalnih elastokaloričnih materialov.

Cilj 2: Ovrednotiti in določiti najbolj obetavne elastokalorične materiale (eKM)

V okviru drugega cilja projekta smo od tujih partnerjev pridobili različne materiale z oblikovnim spominom: polikristalno zlitino Ni–Ti–Cu–V (Ingpuls), monokristalne zlitine Cu–Al–Mn (Furukawa) ter Cu–Al–Ni in Cu–Al–Be (Nimesis), z namenom izbora najučinkovitejšega elastokaloričnega materiala. Gre za materiale, ki v literaturi izkazujejo dobro superelastičnost, vendar še niso bili celostno ovrednoteni z vidika elastokaloričnega efekta in funkcionalnega utrujanja. Vse zlitine smo sistematično analizirali z vidika mikrostrukture, transformacijskih lastnosti in elastokaloričnega odziva.

Polikristalna zlitina Ni–Ti–Cu–V se ni izkazala kot primerna. DSC analiza je pokazala ustrezne transformacijske temperature (Af ≈ −7 °C) in latentno toploto do 15 J/g, vendar je bila transformacija slabo izražena in se je hitro degradirala. Največji elastokalorični efekt je znašal ~10 K (COP ≈ 7), vendar pri zelo visokih napetostih (~1000 MPa), kar omejuje uporabnost. Slabši rezultati so verjetno posledica neoptimalne mikrostrukture, visoke gostote defektov in tlačne obremenitve.

Podobno se monokristalna zlitina Cu–Al–Mn ni izkazala kot stabilna. Kljub začetni superelastičnosti pri nizkih napetostih (~100 MPa) in nizki histerezi (~20 MPa) je prišlo do hitrega funkcionalnega utrujanja; po ~10 ciklih se je elastokalorični efekt zmanjšal na ~3 K. Mikrostruktura ni bila popolnoma monokristalna, temveč je vsebovala subzrna, kjer je nastajal zaostali martenzit.

Nasprotno sta se monokristalni zlitini Cu–Al–Ni in Cu–Al–Be izkazali kot najučinkovitejša elastokalorična materiala do sedaj. Obe kažeta stabilno superelastičnost pri 100–200 MPa, nizko histerezo (≤5 MPa pri Cu–Al–Ni, ~20 MPa pri Cu–Al–Be) in brez degradacije. Cu–Al–Be doseže ΔT ≈ 10 K (COP ≈ 11), Cu–Al–Ni pa do 16 K (COP ≈ 18), kar predstavlja enega najboljših elastokaloričnih odzivov v literaturi. Mikrostrukturna analiza je potrdila pravo monokristalnost. Na tej osnovi pripravljamo znanstveni članek o Cu–Al–Ni. Trenutno zvajamo fenomenološko modeliranje ter teste utrujanja za Cu–Al–Be in Cu–Al–Ni zlitin.

Poleg eksperimentalnega dela smo izvedli tudi obsežen pregled elastokaloričnih materialov in pripravljamo pregledni članek. Rezultati jasno kažejo, da je monokristalna mikrostruktura ključna za visok in stabilen elastokalorični odziv Cu materialov. Analiza opravljena v DS2 omogoča izbor najperspektivnejših materialov za nadaljnji razvoj regeneratorjev.

Cilj 3. Razviti in izdelati napredne elastokalorične (eK) geometrije.

Cilj 3 naslavljamo v delovnem sklopu 3 (DS3), kjer razvijamo napredne elastokalorične geometrije, ki omogočajo tlačno obremenjevanje brez uklona ter zagotavljajo visoko specifično površino za prenos toplote (> 10 cm²/g) in majhen hidravlični premer (< 0,3 mm). Trenutno poteka modeliranje in parametrična optimizacija spiralnih geometrij regeneratorjev z uporabo tankostenskih 4-vozliščnih lupinskih končnih elementov, ki omogočajo nelinearno analizo (geometrijsko in materialno) ter zanesljivo napoved uklona [1]. Model je implementiran v okolju AceFEM (Wolfram Mathematica), kar omogoča učinkovito optimizacijo.

Izvajamo parametrične študije in eksperimentalno verifikacijo spiralne geometrije, ojačane z nagubano strukturo, s čimer smo dosegli povečano geometrijsko togost in stabilno tlačno obremenjevanje brez uklona ob ohranjanju visoke specifične površine. Validacija trenutno poteka na zlitini Ni–Ti, v nadaljevanju pa bomo optimizacijo razširili na Cu-osnovane zlitine iz DS2. Rezultati potrjujejo ustreznost pristopa ter potencial spiralnih in nagubanih geometrij za razvoj mehansko stabilnih in toplotno učinkovitih elastokaloričnih regeneratorjev.

[1] PORENTA, Luka, PLANTARIČ, Adam, TUŠEK, Jaka, BROJAN, Miha. Shell-based finite element modelling for predicting buckling stability of superelastic SMA tubes. V: International Conference on Martensitic Transformations : ICOMAT 2025 : Prague, 7-12 September 2025 : program and abstracts. Prague: FZU, 2025. Str. 79. https://www.icomat2025.org/book-of-abstracts/. [COBISS.SI-ID 263971331]

Cilj 4. Ovrednotiti hladilne in grelne karakteristike novih eK regeneratorjev.

Cilj 4 se začne v mesecu M18 (1. 4. 2026) in je usmerjen v celostno ovrednotenje najobetavnejših elastokaloričnih regeneratorjev, razvitih v predhodnih delovnih sklopih. Ti regeneratorji združujejo optimizirane elastokalorične materiale (eKM) in napredne geometrije, razvite v okviru DS1–DS3. V prvi fazi bomo njihove hladilne in grelne karakteristike analizirali z uporabo numeričnih modelov, ki omogočajo simulacijo delovanja regeneratorjev in optimizacijo obratovalnih parametrov.

V drugi fazi bo sledila eksperimentalna validacija na obstoječem laboratorijskem sistemu, kjer bomo ovrednotili dejansko zmogljivost regeneratorjev, vključno s temperaturnimi razponi, toplotnimi močmi ter učinkovitostjo delovanja. S tem bomo zagotovili neposredno povezavo med numeričnimi napovedmi in realnim obratovanjem sistema. Rezultati bodo ključni za oceno primernosti izbranih materialov in geometrij ter bodo predstavljali osnovo za nadaljnji razvoj in skaliranje elastokaloričnih hladilnih naprav.