【摘 要】
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制冷作为一项至关重要的技术,在现代社会的各个领域展现着作用,而随着经济社会的进一步发展,对制冷的需求和要求也进一步加大和提高。气体压缩制冷技术因其对能源的过度消耗以及环境污染的问题,已经不能满足节能减排、绿色环保的要求。最近几年,基于高效率、无污染等优点,固态制冷技术被认为是目前气体压缩制冷最合适的替代技术,成为研究学者关注的热点,包括磁热制冷、电热制冷以及弹性热制冷。扭转弹热制冷是弹性热制冷的新
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制冷作为一项至关重要的技术,在现代社会的各个领域展现着作用,而随着经济社会的进一步发展,对制冷的需求和要求也进一步加大和提高。气体压缩制冷技术因其对能源的过度消耗以及环境污染的问题,已经不能满足节能减排、绿色环保的要求。最近几年,基于高效率、无污染等优点,固态制冷技术被认为是目前气体压缩制冷最合适的替代技术,成为研究学者关注的热点,包括磁热制冷、电热制冷以及弹性热制冷。扭转弹热制冷是弹性热制冷的新兴方向,主要材料为高分子纤维以及纱线,表现出了大的绝热温变以及简单的应力驱动模式等优势,研究基于扭转弹热效应的新型制冷技术和器件,对于固态制冷的发展极具意义。螺旋型纤维/纱线是本论文工作的研究对象,首先研究了其基本性质,如表面形貌、力学性能等:在恒定挂重的条件下对尼龙6单丝、超高分子量聚乙烯纱线、聚偏氟乙烯单丝加捻,制备了不同材料的螺旋型纤维/纱线,表征了不同材料以及制备过程中不同状态下的形貌差异,并探索了制备参数对样品类型的影响。研究发现原本刚性的纤维/纱线,增加螺旋线圈结构后具有了优异的弹性,诸多制备参数中仅有制作载荷对纤维/纱线的螺旋线圈结构有决定性的影响。进一步对螺旋型纤维/纱线的扭转弹热效应进行探究,并寻找可以提高其热效应的方法,为证明可应用性,探索了扭转纤维/纱线性能的循环稳定性:在25℃的环境温度下,螺旋型超高分子量聚乙烯纱线表现出最优异的扭转弹热效应,弹簧指数为0.8的螺旋型纱线在30%可逆应变下实现了最大的温度变化,升温和降温分别是+6.99℃和-5.15℃;利用单斜相的高温不稳定性,在60℃下热处理10min,使螺旋型超高分子量聚乙烯纱线的最大升温和降温提高到了+7.79℃和-5.59℃;在2000次的循环中,螺旋型超高分子量聚乙烯纱线的最大应力仅下降4.08MPa,表面温度变化峰值差在0.2℃内波动。在应用研究中,以螺旋型超高分子量聚乙烯纱线为主体设计并组装了一款制冷器件,8根螺旋型纱线在25%应变时使21℃的水流实现了 0.94℃的降温。螺旋线圈结构使弹热制冷材料扩大到刚性高分子纤维/纱线,本文的研究证明了螺旋型纤维/纱线具有可观的绝热温变、行为可逆以及良好的循环稳定性,保证了其应用于制冷的可能性,对扭转弹热制冷甚至是整个弹性热制冷具有巨大的推动意义,以相变为基础的性能提高研究为扭转弹热效应的改善探索做出了指导,首次借助高分子纱线实现制冷也为今后高分子材料和固态制冷指明了新的方向。
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