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新材料将热量变成电力

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Mestents工程师理查德詹姆斯大学明尼苏达大学加热了一款新的金属合金坐在铜手指上;材料突然通过相变,将热量转换为电力而变得强烈磁性。从左边是被描绘的vijay srivastava,kanwal bhatti,yintao歌曲和理查德詹姆斯。 (图片信用:Vijay Srivastava,Yintao Song,Kanwal Bhatti和明尼苏达大学詹姆斯理查德D.詹姆斯)

在幕后文章落后于与国家科学基金会合作。

大多数当今的电厂 - 从一些最大的太阳阵列到核能设施 - 依靠水的沸腾和冷凝来产生能量。

通过James Watt在1765年以后的方式将加热水转化为能量的过程基本上理解。来自太阳或受控核反应的热量煮沸,然后膨胀,移动涡轮机并产生电力。

为什么水?它便宜;它吸收了很多“潜热”,因为它变成了蒸汽;它会产生大量的功率,因为​​它通过涡轮机膨胀;使用诸如河流等环境来源,易于凝回液态水。

热量到电力

从1824年的Nicolas Leonard Sadi Carnot的基础研究开始,工程师已经学会了如何使用液体和气体之间的“相变”来操纵水的沸腾和冷凝水,以产生电力。

通过在循环右侧的右点向水中加热并在循环期间防止其他点的热交换使得研究人员最终最终提取来自蒸汽的最大功率。通过这种方式,他们仔细设计了循环,以最大限度地提高其效率,是迦太表定义的数学概念。

“这种沸腾和冷凝水需要大量的压力容器和热交换器来遏制水,”明尼苏达大学研究员理查德·詹姆斯表示。

詹姆斯和他的研究人员团队希望替代完全不同的相变,以取代水的沸腾和冷凝。他们一直在研究使用一种典型的金属合金(特定元素)的家族(不同元素)的可能性。

多用途材料

多体材料是表现出三个“铁磁性”特性中的至少两种的材料:铁磁性(如铁磁铁,自发磁化),铁电(自发开发两极),或发铁弹性(自发应变)。具有展示铁弹性的自然方法是通过相变,其中一个晶体结构突然扭曲成另一个晶体,即所谓的马氏体相变。

詹姆斯的团队的想法是使用在这些多用途材料中的一些发生的马氏体相变,而不是水来蒸汽。使用与国家科学基金会资金开发的马氏体相变的数学理论,研究人员发现了一种系统地调整多体材料组成能够打开和关闭相变的方法。

通常,金属的能够通过称为“滞后”的特征来阻抗这样的阶段的能力,这是金属的磁性赶上相位变化需要多长时间。如果需要太长,它会阻碍金属来回切换阶段的能力。

不断发展的合金

“关键思想是操纵合金的组成,因此两个晶体结构完美地适合在一起,”詹姆斯说。 “当完成时,相变的滞后急剧下降,变得高度可逆。”

即使在第一个低滞后合金开始出现之后,策略也基于理论。 “为了确保滞后下降了预期的原因,我们将实际上看到调谐合金中的完美界面至关重要,”詹姆斯说。

为此目的,詹姆斯与尼克库利夫斯队的电子显微镜,在比利时Antwerp大学的材料科学实验室,一个使用电子显微镜研究相变的庆祝中心。由此产生的研究,由克里夫斯和安特卫普大学研究生Remi delville揭示了两阶段之间完美匹配的界面。

Heusler合金

研究人员在一家叫做Heusler合金的合金家族中追求概念,即使使它们的金属不是这样的金属。为德国采矿工程师弗里德里希赫斯勒命名,他们首先注意到铜2即使单独的元素Cu,Mn和Sn是非磁性的,MNSN(铜 - 锰罐)也是磁性的,这家族的合金具有引人注目的倾向倾向。正如詹姆斯注意事项,沙塞也装有马氏体相变。

在詹姆斯集团工作,博士后的研究员Vijay Srivastava应用了策略来实现低滞后,系统地改变基本的Heusler合金Ni的组成2MNSN和到达NI45CO.5m4010.

“你45CO.5m4010 是一种非凡的合金,“詹姆斯说。”低温相是非磁性的,但高温相是强磁铁,几乎与铁相同温度一样强。“研究人员立即意识到这种合金可以像相位一样 - 电厂中的水。

“如果通过小线圈围绕合金并通过相位变换加热,突然变化的磁化会引起线圈中的电流,”詹姆斯说。 “在该过程中,合金吸收一些潜热。它将热量直接转化为电力。”

彻底改变电厂

该技术的后果可能是近距离的影响。在发电厂中,人们不需要用于运输和加热水的巨大压力容器,管道和热交换器。由于可以在宽范围内调节变换温度,因此该概念适用于储存在地球上的许多热量,具有小的温差。

“甚至可以梦想在海洋表面和几百米之间使用温差,”詹姆斯说。

研究人员还与明尼苏达大学的Christopher Leighton教授一起研究了制作其设备的薄膜版本的可能性。这些可以在芯片上的计算机上工作,将废热转换为电力以对电池充电。

詹姆斯强调他们的演示只是一种可以使用马氏体相变的能量转换的方式之一。

“除了磁性之外,还有许多物理性质在两个阶段可能不同,并且可以用来从热量产生电力,”詹姆斯说。 “但是如何发展这些概念,并且哪些能够最好地工作?”

“即使是”最佳“的标准也不清楚,因为一个人不支付废物热量,”詹姆斯继续。 “真的,我们必须从基本原则重新思考能量转换在较小的温差下的热力学。”

编辑注意: 该研究得到了国家科学基金会的支持,联邦机构负责跨越各地的科学和工程领域的基础研究和教育。在本材料中表达的任何意见,调查结果和结论或建议是作者的任何意见,不一定反映国家科学基金会的意见。看看 在幕后存档.