上海交大錢小石副教授在Nature上發(fā)表論文
突破電卡制冷效應(yīng)工程應(yīng)用瓶頸
北京時間12月23日，上海交通大學機械與動力工程學院錢小石、陳江平團隊，和物理與天文學院學院、自然科學研究院洪亮課題組，化學化工學院黃興溢課題組組成得跨學科交叉研究團隊在Nature上發(fā)表“High-entropy polymer produces a giant electrocaloric effect at low fields”得論文，通過精巧設(shè)計分子缺陷調(diào)控弛豫鐵電材料，制備了一種極化高熵高分子，顯著提高低電場下得巨電卡效應(yīng)，并首次將循環(huán)壽命提高至逾百萬次。錢小石副教授為感謝第壹與通訊。這是華夏科研單位首次在Nature發(fā)表以電卡制冷為主題得論文，也是上海交大機械與動力工程學院首次以第壹完成單位在Nature上發(fā)表研究論文。
巨電卡效應(yīng)（Giant Electrocaloric Effect）是一種奇異得凝聚態(tài)物理現(xiàn)象，利用電介質(zhì)充放電過程中得可逆電致溫變組成制冷循環(huán)，逆著溫度梯度輸運熱量。該領(lǐng)域研究涉及工程熱物理、凝聚態(tài)物理、電子電氣工程、機械工程、有機/無機功能材料等學科，具有顯著學科交叉特色。電卡制冷系統(tǒng)使用介電電容器制冷，電能損耗小、能效高，具有零溫室效應(yīng)潛能（GWP）、易于小型化/輕量化等特點，是實現(xiàn)雙碳目標得重要顛覆性前瞻技術(shù)之一。然而，目前允許得制冷電介質(zhì)仍需極高外加電場，才能產(chǎn)生工業(yè)化可用得降溫效果，而高電場在實際樣機工作過程中，極易造成材料老化與擊穿，因而如何提升材料在低電場下得電致熵變是應(yīng)用領(lǐng)域亟需攻克得難題。
圖1 通過設(shè)計極化高熵材料提高低場電卡效應(yīng)
感謝通過設(shè)計一系列極化高熵高分子,顯著增強了高分子得本征電致熵變，無需異質(zhì)材料摻雜。在較低外加電場（50 MVm-1）得驅(qū)動下，這種極化高熵材料表現(xiàn)出得電卡效應(yīng)是目前允許制冷高分子得近4倍。多種結(jié)構(gòu)表征均表明，高熵高分子同時具備更高得結(jié)晶度與更小得晶粒尺寸，據(jù)此可推測材料內(nèi)呈現(xiàn)極化基元數(shù)量得顯著增長，系統(tǒng)具有更高得自由度與極化熵。
圖2 高熵聚合物場致相變分析
除了提高零場偶極自由度，該高熵高分子在低電場下更容易發(fā)生相變。上海光源同步輻射19U，16B線站原位電場下得X射線衍射結(jié)果表明，極化高熵材料得相變能壘更低，外加電場后極化晶區(qū)得比例更高，在低電場驅(qū)動下相變能力提高5倍。同時，準彈性中子散射實驗表明，高熵高分子高頻震動受限（1ns），因而該高熵高分子能夠在實現(xiàn)低場高電卡效應(yīng)得同時表現(xiàn)出較高得機械強度，有利于探索該型材料后續(xù)產(chǎn)業(yè)化工藝。
圖3 高熵聚合物得介電性能
介電測試數(shù)據(jù)亦暗示了材料內(nèi)極化基元得高熵狀態(tài)。隨著分子缺陷含量得微量提高，高熵高分子介電溫譜中極性峰值逐漸提高，同時峰值溫度表現(xiàn)出顯著得釘扎特性，揭示分子缺陷在促進鐵電極化區(qū)總量得同時，并未提高極化基元間得居里常數(shù)（極化關(guān)聯(lián)）。介電表征與朗道理論、結(jié)構(gòu)表征數(shù)據(jù)一道驗證了系統(tǒng)所處得極化高熵狀態(tài)。
圖4 高熵聚合物得循環(huán)特性
高熵高分子在約40MVm-1得低電場以上即可超過工程應(yīng)用得電卡效應(yīng)門檻，在80MVm-1得電場下循環(huán)工作六萬余次后制冷性能不變。繼續(xù)循環(huán)超過百萬次后制冷/制熱能量可逆性顯著提高，制冷效應(yīng)僅衰減不足10%。相同工況下，循環(huán)壽命提高超過20000倍。使用該型高熵高分子得主動回熱型制冷系統(tǒng)理論溫跨超過50攝氏度、大溫跨工況下熱力學完善度超過80%。
研究工作獲得科技部重點研發(fā)計劃變革性技術(shù)與關(guān)鍵科學問題專項、China自然科學基金和上海市自然科學基金來自互聯(lián)網(wǎng)探索項目得資助。錢小石作為該項交叉研究課題得負責人，提出研究想法后，組織設(shè)計實驗、搭建平臺，與博士生韓東霖完成了主要工作。研究工作獲得多個團隊支持，其中上海光源原位Xray散射實驗，以及美國技術(shù)標準局中子平臺得準彈性中子散射實驗由洪亮課題組完成；黃興溢團隊、黃厚兵團隊分別在材料設(shè)計合成與相場仿真方面為本研究提供重要支撐。機動學院博士生韓東霖、洪亮團隊博士生鄭力榮、黃興溢團隊博士后陳杰為共同第壹；洪亮、黃興溢與北京理工大學黃厚兵為共同通訊。此外，美國賓州州立大學、北卡州立大學等多家國際研究團隊也參與了研究工作。
錢小石長期從事功能材料與智能系統(tǒng)研究，參與了多款高分子、陶瓷功能材料設(shè)計與制備工藝研發(fā)，現(xiàn)任國際能源署53號附件組可能，華夏“相變制冷材料與技術(shù)可以委員會”委員。入職上海交大以來，他以第壹或通訊在Nature、Joule（2）、Nature Nanotechnology、華夏科學：技術(shù)科學（英文版）、國際制冷學報等學術(shù)刊物發(fā)表多篇論文，主持China重點研發(fā)計劃專項課題、自然科學基金面上項目、上海市科委“來自互聯(lián)網(wǎng)探索”項目等多項來自互聯(lián)網(wǎng)、學科交叉型科研項目。
論文鏈接：
特別nature/articles/s41586-021-04189-5
