Exploring thermomechanical properties under shear-stress in materials–a device for measuring the torsiocaloric effect
Explorando propriedades termomecânicas sob tensão de cisalhamento em materiais – um dispositivo para medir o efeito torsiocalórico
Autores:
- Erik Oda Usuda,
- Flávio Clareth Colman,*
- Cesar Celestino de Souza e Silva,
- William Imamura,
- Thiago Henrique de Bona,
- Otavio Aristides Lima,
- Marcel Heitor Kuawabara Zanetti,
- Leonardo José Constantino Franchetti,
- Silvia Luciana Favaro Rosa, *
- Jorge Otubo,
- Rubens Zenko Sakiyama,
- Cleber Santiago Alves, *
- Ricardo Alexandre Galdino da Silva
- Alexandre Magnus Gomes Carvalho
* Pesquisadores NAPI EZC
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Publicado 01 de agosto de 2025
Abstract
Energy conversion materials represent a rapidly evolving field that is core to future sustainable technologies. Caloric effect materials, which convert magnetic, electrical, or mechanical stress into thermal energy, are particularly promising for their potential application in solid-state cooling. In particular, the torsiocaloric effect—where materials convert pure shear stress into thermal energy—remains relatively underexplored despite its immense technological potential. However, progress in this area has been hindered by the lack of commercial instrumentation designed to study the thermomechanical properties of materials under shear stress. In this work, we present a device capable of characterizing materials under shear stress and directly measuring the torsiocaloric effect efficiently. The system was tested using two distinct materials—a rigid polymer and a shape memory alloy—demonstrating its versatility. Our results show that the device can successfully generate torque versus angular displacement curves, conduct fatigue tests, measure adiabatic temperature change, and evaluate caloric reversibility. These outcomes highlight the device’s excellent performance and its potential to advance the research in the torsiocaloric field.
Resumo
Materiais para conversão de energia representam um campo em rápida evolução, fundamental para as futuras tecnologias sustentáveis. Materiais com efeito calorífico, que convertem estímulos magnéticos, elétricos ou mecânicos em energia térmica, são particularmente promissores devido ao seu potencial de aplicação em refrigeração em estado sólido. Em especial, o efeito torsiocalórico — no qual materiais convertem tensão de cisalhamento pura em energia térmica — permanece relativamente pouco explorado, apesar de seu enorme potencial tecnológico. No entanto, o progresso nessa área tem sido dificultado pela ausência de instrumentação comercial projetada para estudar as propriedades termomecânicas de materiais sob tensão de cisalhamento. Neste trabalho, apresentamos um dispositivo capaz de caracterizar materiais sob tensão de cisalhamento e medir diretamente o efeito torsiocalórico de forma eficiente. O sistema foi testado utilizando dois materiais distintos — um polímero rígido e uma liga com memória de forma — demonstrando sua versatilidade. Nossos resultados mostram que o dispositivo é capaz de gerar curvas de torque em função do deslocamento angular, realizar testes de fadiga, medir a variação adiabática de temperatura e avaliar a reversibilidade calorífica. Esses resultados evidenciam o excelente desempenho do dispositivo e seu potencial para impulsionar o avanço das pesquisas no campo torsiocalórico.
Essa pesquisa
contribui para as seguintes ODS:
