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(chǎng)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(shì)，被國(guó)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(chǎng)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(shì)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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)。

(關(guān)鍵字：制冷)