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5月8日，上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院前瞻交叉研究中心錢小石教授課題組在Nature上發(fā)表“Self-oscillating polymeric refrigerator with high energy efficiency”的論文。研究人員結(jié)合弛豫鐵電高分子材料在電場作用下的電致熵變（電卡效應(yīng)）和電致伸縮效應(yīng)，設(shè)計(jì)與制造了“自驅(qū)動(dòng)”的高分子制冷薄膜系統(tǒng)。該系統(tǒng)無需外加驅(qū)動(dòng)裝置，而是優(yōu)化了高分子制冷工質(zhì)本身的機(jī)電耦合效率，設(shè)計(jì)了電-機(jī)械形變與電卡制冷效應(yīng)協(xié)同驅(qū)動(dòng)的方法，實(shí)現(xiàn)了輕量化、高能效比、高精度和智能化的制冷效果。錢小石教授為論文通訊作者，博士研究生韓東霖和碩士研究生張楹婧為共同第一作者。

巨電卡效應(yīng)的電卡制冷技術(shù)因具有全固態(tài)、高能效、零溫室效應(yīng)潛能（GWP）及易于小型化、輕量化等理論優(yōu)勢，被國際能源署譽(yù)為制冷技術(shù)領(lǐng)域的顛覆性前瞻技術(shù)之一。在電卡制冷系統(tǒng)中，固態(tài)電卡材料（制冷工質(zhì)）在電場的加載與卸載下實(shí)現(xiàn)間歇性的吸熱與放熱效果，并配合工質(zhì)在空間位置的移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)與熱源和熱沉的交替接觸，從而完成制冷循環(huán)。目前，絕大多數(shù)已報(bào)道的電卡制冷系統(tǒng)都依賴外置驅(qū)動(dòng)設(shè)備（如機(jī)械泵、活塞、電機(jī)等），實(shí)現(xiàn)制冷工質(zhì)的機(jī)械循環(huán)運(yùn)動(dòng)。這些設(shè)備往往需要分立的電源，體積、重量遠(yuǎn)大于實(shí)際系統(tǒng)中的電卡制冷工質(zhì)。類似的設(shè)備一旦部署，如何體現(xiàn)電卡制冷技術(shù)在小型化、輕量化方面的優(yōu)勢始終是領(lǐng)域內(nèi)的一項(xiàng)重要挑戰(zhàn)。

此前，錢小石教授課題組在2021年發(fā)表的Nature論文中已證實(shí)，通過高分子鏈內(nèi)分子修飾的手段，可以大幅提升弛豫鐵電高分子材料在低電場下的熵變性能。這類材料被稱為雙鍵調(diào)控高分子（Double-bond Modified Polymer，DMP）。本文中，研究人員通過進(jìn)一步優(yōu)化各項(xiàng)單體比例，使得目標(biāo)高分子兼具高“電致熵變”與高“電致伸縮應(yīng)變”的性能。在66.7 MV/m的電場下，DMP表現(xiàn)出9 K的絕熱溫變和1.9%的面內(nèi)應(yīng)變。得益于顯著提升的機(jī)-電-熱耦合性能，DMP薄膜無需額外的機(jī)械驅(qū)動(dòng)力輸入，在電場作用下同步產(chǎn)生足夠大的空間位移和冷熱變化，僅憑自身本征物理效應(yīng)即組成了完整的熱力學(xué)循環(huán)。

圖1 自驅(qū)動(dòng)柔性制冷系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)理

研究人員根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行邏輯針對性地搭建了系統(tǒng)溫跨測試平臺，并分別在熱泵工況和制冷工況下對系統(tǒng)拉開溫跨的能力進(jìn)行了測試。在66.7 MV/m的電場和0.5 Hz的運(yùn)行頻率下，系統(tǒng)在兩種工況下均能拉開近似于4 K的溫跨，這表明系統(tǒng)的能量損耗相對較低。借助于界面熱阻測量標(biāo)定實(shí)驗(yàn)與有限元仿真計(jì)算，研究人員對系統(tǒng)溫跨測試結(jié)果進(jìn)行了深入分析。仿真計(jì)算結(jié)果表明，系統(tǒng)運(yùn)行過程中的界面接觸熱阻和對流換熱損耗是限制系統(tǒng)制冷性能的主要因素。

圖2 自驅(qū)動(dòng)柔性制冷系統(tǒng)拉開溫跨能力的測試

如何準(zhǔn)確地測試電卡制冷系統(tǒng)的性能，是該領(lǐng)域研究的另一項(xiàng)重點(diǎn)。前期報(bào)道的電卡制冷系統(tǒng)主要通過系統(tǒng)溫跨描述性能，然而不同系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)的系統(tǒng)溫跨標(biāo)準(zhǔn)不一。本次工作中，研究人員首次將傳統(tǒng)制冷系統(tǒng)測試技術(shù)引入電卡制冷系統(tǒng)性能測試中，搭建了適用于薄膜電卡制冷系統(tǒng)的焓差臺，并分別獨(dú)立地嚴(yán)格控制熱源和熱沉的溫度。研究人員測試了在不同熱源熱沉溫差條件下，即在不同工作溫跨下電卡制冷系統(tǒng)能輸出的制冷量，得到了系統(tǒng)在不同溫跨條件下的額外對外制冷量與COP，而非系統(tǒng)在最大溫跨下與熱損耗相平衡時(shí)的制冷量與COP。

在零溫跨下，該系統(tǒng)可以輸出6.5 W/g的比制冷功率，瞬時(shí)制冷量與耗電量比值高達(dá)58（在電荷回收效率為80%的條件下）。在4 K的系統(tǒng)溫跨下，該系統(tǒng)可以輸出2.7 W/g的比制冷功率，對應(yīng)的COP為24，實(shí)現(xiàn)了約32%的熱力學(xué)完善度，這是迄今為止在電卡制冷系統(tǒng)研究中所報(bào)道的最高的熱力學(xué)完善度。值得注意的是，系統(tǒng)的COP與所處溫跨和能量回收效率息息相關(guān)，若提升電荷回收效率至99.7%以上，系統(tǒng)在零溫跨下實(shí)現(xiàn)的COP將達(dá)到210左右。此外，由于無需外加驅(qū)動(dòng)部件，本研究中搭建的薄膜制冷系統(tǒng)空間利用率高，其單位空間上的比制冷功率相比于領(lǐng)域內(nèi)已報(bào)道的電卡制冷系統(tǒng)提升了近百倍。

圖3 自驅(qū)動(dòng)柔性制冷系統(tǒng)的制冷功率和能效比。

該系統(tǒng)能為狹小空間內(nèi)的芯片提供被動(dòng)散熱額外的制冷能力，迅速降低芯片表面溫度。相比于空氣自然對流冷卻，該系統(tǒng)能為芯片在50 s內(nèi)提供額外17.5 K的溫降。研究人員利用鐵電高分子的介電溫譜，實(shí)現(xiàn)了被冷卻目標(biāo)溫度的定點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測，并設(shè)計(jì)了系統(tǒng)制冷工作自動(dòng)啟停的反饋運(yùn)行邏輯。研究人員還對該系統(tǒng)進(jìn)行了超過七萬次的循環(huán)穩(wěn)定性測試，驗(yàn)證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。由此，憑借其輕質(zhì)、體積小、能耗低和柔性等諸多優(yōu)勢，基于電致伸縮效應(yīng)與電卡效應(yīng)協(xié)同的自驅(qū)動(dòng)電卡制冷系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)輕量化、柔性、高能效和智能化的主動(dòng)制冷。

圖4 系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例

兩年多來，該團(tuán)隊(duì)陸續(xù)在固態(tài)相變機(jī)理、材料理化性質(zhì)、器件設(shè)計(jì)與制造方面取得突破，相關(guān)工作已發(fā)表6篇Nature、Science論文，其中以第一或通訊作者發(fā)表4篇。本文揭示了基于鐵電高分子的自驅(qū)動(dòng)電卡制冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)機(jī)理，創(chuàng)新了電卡制冷系統(tǒng)的嚴(yán)格測試方法，對電卡制冷系統(tǒng)在各種工況下的制冷能力進(jìn)行了細(xì)致和完善的表征與分析，驗(yàn)證了電卡制冷技術(shù)輕量化、高能效的理論優(yōu)勢，為未來更深入細(xì)致的學(xué)科交叉基礎(chǔ)研究與工程應(yīng)用探索提供了理論基礎(chǔ)。錢小石教授團(tuán)隊(duì)已獲得相關(guān)發(fā)明專利授權(quán)。研究工作得到了機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院陳江平教授和電子信息與電氣工程學(xué)院劉鋼教授等的支持，所有研究工作均由上海交通大學(xué)的研究人員完成。研究工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、上海市自然科學(xué)基金、上海交通大學(xué)機(jī)械系統(tǒng)與振動(dòng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、上海交通大學(xué)“深藍(lán)計(jì)劃”項(xiàng)目、重點(diǎn)前瞻布局基金、“交大2030”項(xiàng)目的支持。研究工作還得到了上海交通大學(xué)學(xué)生創(chuàng)新中心、上海交通大學(xué)分析測試中心以及轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施（上海）的支持。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07375-3