北航侯慧龙副教授《Nat. Rev. Mater.》：在固态相变制冷领域取得的新进展

高分子科技

2022-04-02

导读：从材料、物理、系统三个层次进行了原创性的研究工作，实现了场致熵变的联合增效，建立了相变制冷材料的延寿准则，完善了多场功-能转换器件的评价体系。

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2022年3月29日，《Nature Reviews Materials》期刊报道了侯慧龙副教授在固态相变制冷领域取得的新进展：《Materials, physics and systems for multicaloric cooling》。固态相变制冷技术，基于固体材料内禀序参量在外场源下的可逆改变引起材料的吸/放热效应，经热力学循环实现制冷，具有绿色环保、节能高效、低噪稳定等诸多优点，不仅具有巨大的市场经济价值与社会环保意义，而且在航空航天、空间探测等领域也具有重要应用前景。此工作在梳理和归纳了单场以及多场转换与调控固态相变制冷技术的基础上，从材料、物理、系统三个层次进行了原创性的研究工作，实现了场致熵变的联合增效，建立了相变制冷材料的延寿准则，完善了多场功-能转换器件的评价体系。该工作不仅是对单场致效应的归纳与补充，而且丰富和拓宽了多场作用下制冷材料与器件的种类及概念范畴。

固态相变制冷技术包括弹热效应、磁热效应、电热效应等单场致效应，在各自的研究方向以并行方式快速发展。由于弹热效应所对应的结构相变通常伴随着磁热效应的磁相变和电热效应的电偶极子相变，弹热效应与磁场、电场等场致效应于近年来交汇融合，形成了磁场、力场、电场等多场作用下，磁熵、晶格熵和极化熵的多场转换机理和调控的新兴方向。但是，这些场致熵变的物理机制及其多场调控原理，虽已在磁力两个外场的情形得到运用，但无法解决在更复杂的力磁电多场条件下，序参量之间的转换和耦合作用对增强制冷效应和功能寿命的有效调控，严重制约了利用多场转换耦合效应大幅提升制冷性能和稳定性的发展。通过多场条件下的力电磁多场转换与调控，实现制冷效应的叠加与耦合，是固态相变制冷领域未来发展的重要方向之一。

侯慧龙副教授及其长期合作者深入系统地梳理和归纳了弹热、磁热、电热、压热等单场致效应，以及力电磁多场转换与调控的发展过程与研究现状。在此基础上，进行了原创性的研究工作：通过分析力磁电多场响应材料的内禀序参量，以及共轭外场的物理过程，发现磁化强度、电极化强度、机械强度等内禀序参量与对应的磁场、电场、力场等共轭外场在相变过程、物理描述和宏观行为上存在共通性，发展了一级相变材料在零场和非零场条件下的通用相图和熵变公式。发现场致熵变联合增效的关键在于对熵变符号的多场调控。提出了力磁电多场响应材料与驱动场的协同设计策略（图1），完善了材料类型（单相、复合相）与共轭外场对于熵变符号的多场调控机制，动态调控场致熵变（磁熵、晶格熵和极化熵），实现了多场致熵变的联合增效。

图1. 固态相变制冷多场响应材料与器件设计。根据材料类型（单相材料或复合相材料）以及外场个数（单个或多个），(a)可归类固态相变制冷类型。针对(b)单相材料和(c)复合相材料的磁热、电热和力热效应，细分单场致效应和多场致效应之间的关系。（d）多场响应材料与器件的分类设计。

通过综合分析一级相变制冷材料中减小相变滞后的策略与机理，发现在功-能转换过程中滞后损耗所带来的损耗功，主要通过其在输入功的占比，以及改变用于逆向转变的弹性能来影响材料的功能寿命。基于实验结果，提出损耗功在输入功占比小于10%是一级相变制冷材料达到百万次循环以上功能寿命的延寿准则，建立了一级和二级相变所对应的功能寿命预测公式。更重要的是，基于能量形式建立的延寿准则和公式，可从单场效应材料体系推广至多场效应体系，具有普适性，表明了力磁电多场响应材料内禀序参量与共轭外场具有共同的驱动因素。从材料制冷性能系数出发，揭示了驱动损失、传热损失、循环损失、寄生损失四类损失对于器件制冷性能系数逐级削减的影响规律（图2），完善了在器件设计中，多场材料与器件的性能评价体系。同时，以磁性形状记忆合金为模型材料，获得的多场协同增效制冷器件，核心材料性能指数为24.5，达到同期国际最高水平。

图2. 在系统设计中，多场材料与器件的性能评价体系以及性能指数评估

在该项工作中，北京航空航天大学侯慧龙副教授为第一作者，也是通讯作者，北京航空航天大学为第一单位。合作者是来自西安交通大学的钱苏昕副教授和马里兰大学的Ichiro Takeuchi教授。此项工作得到了国家自然科学基金委员会、北京航空航天大学青年拔尖人才支持计划、北京航空航天大学杭州创新研究院（余杭）的资助。

论文地址：

https://www.nature.com/articles/s41578-022-00428-x

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