5月8日，上海交通大學(xué)機械與動力工程學(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)計與制造了“自驅(qū)動”的高分子制冷薄膜系統(tǒng)。該系統(tǒng)無需外加驅(qū)動裝置，而是優(yōu)化了高分子制冷工質(zhì)本身的機電耦合效率，設(shè)計了電-機械形變與電卡制冷效應(yīng)協(xié)同驅(qū)動的方法，實現(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，實現(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)已報道的電卡制冷系統(tǒng)都依賴外置驅(qū)動設(shè)備(如機械泵、活塞、電機等)，實現(xiàn)制冷工質(zhì)的機械循環(huán)運動。這些設(shè)備往往需要分立的電源，體積、重量遠大于實際系統(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，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，研究人員通過進一步優(yōu)化各項單體比例，使得目標高分子兼具高“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-電-熱耦合性能，DMP薄膜無需額外的機械驅(qū)動力輸入，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)。

(關(guān)鍵字：制冷)