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    我國學者在塑晶材料中發現龐壓卡效應

    日期 2019-04-04   來源:工程與材料科學部   作者:鄧意達 盧遵銘 鄭雁軍  【 】   【打印】   【關閉

    圖. 塑晶材料與當前主流固態相變制冷材料的最大等溫熵變的對比

      在國家自然科學基金項目(批準號:51671192,51531008,11804346)等資助下,中國科學院沈陽金屬研究所李昺研究員、張志東研究員、任衛軍研究員等與日本、美國以及澳大利亞科研人員開展合作研究,在塑晶材料中發現龐壓卡效應,為高效制冷提供新思路。研究成果以“Colossal Barocaloric Effects in Plastic Crystals”(塑晶中的龐壓卡效應)為題,于2019年3月28日在Nature(《自然》)上發表,論文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41586-019-1042-5。

      聯合國統計數據表明,全球每年有25-30%電力消耗于各種制冷應用。這些應用絕大部分依賴傳統的氣體壓縮制冷技術,此技術普遍使用對環境和人體有害的制冷劑。因此,尋求綠色、環保、低能耗的替代制冷方案已經成為學術界和工業界共同努力的方向。特別是當前我國高端制冷壓縮機技術仍然欠缺,探索新的制冷技術方案有望從根源上解決該技術領域的“卡脖子”問題。基于固態相變熱效應(caloric effects)的固態制冷技術被認為是最有希望取代傳統氣體壓縮制冷的技術方案,固態相變制冷材料的性能主要由等溫熵變所描述。經過數十年的發展,雖然主流固態相變制冷材料的等溫熵變提高到了50 J kg-1K-1左右,但仍需要較大外場,這成為該技術走向應用的障礙。

      最近李昺研究員等研究團隊選擇了一種名為新戊二醇(NPG)的塑晶材料,運用高壓熱測量技術、高壓中子散射技術、高壓同步輻射X射線衍射技術等,發現該材料的等溫熵變最高值較傳統固態相變制冷材料高出一個數量級(如圖),在45.0 MPa壓力條件下的等溫熵變可達最大值(389 J kg-1K-1),且在15.2 MPa下可達到最大值的一半,這一現象稱之為龐壓卡效應(Colossal barocaloric effects,CBCEs)。研究表明,該材料在相對較小的壓力下便能誘導材料結構發生變化,產生巨大的熵變,并揭示了塑晶材料出現龐壓卡效應的深層次物理機制——塑晶高度無序,即分子取向不規則。該研究工作借助大科學裝置成功地確立了龐壓卡效應的物理機制,并將塑晶引入固態相變制冷材料研究領域,豐富了固態相變制冷研究的材料體系,為發現和設計性能更加優異的高效制冷材料提供了新的途徑。




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