華中科技大學Advanced Materials：納米應力效應在鐵電體中誘導強電卡效應

【前言】

制冷技術的應用覆蓋了國家安全、工農業生產、生物醫療、科學研究和日常生活等各領域。目前制冷仍幾乎完全依賴壓縮機技術，但壓縮機制冷無法擺脫制冷劑的使用，對全球環境和氣候影響顯著。此外，壓縮機制冷效率低，每年消耗超過6%的全球總電能，間接排放CO₂約52億噸，進一步危害環境。再者，壓縮機體積大、重量重，無法用于集成電路芯片的局域制冷。因此，開發體積小、重量輕的新型高效環保制冷技術迫在眉睫。電卡效應通過電場來誘導鐵電體的相變和偶極熵變、控制材料的吸/放熱過程，可實現熱搬運和制冷。電卡制冷無需危害環境的制冷劑，效率更是壓縮機制冷的3-5倍，且具有體積小和重量輕的特點。電卡效應將為制冷技術的發展帶來革命性突破。

電卡制冷走向實用的關鍵在于高性能電卡材料的制備。鐵電聚合物是實現高性能電卡制冷最具潛力的材料之一，但是其強電卡效應需要較高的電場來激發。另外，聚合物熱導率低，這嚴重制約了電卡材料與制冷器的快速傳熱，限制了其實際制冷效果。

【圖文導讀】

圖1

(a)鐵電聚合物納米線陣列—多孔氧化鋁模板混合型電卡材料示意圖；(b-i)?混合型電卡材料的微觀結構圖。

針對上述挑戰，近日華中科技大學光學與電子信息學院姜勝林教授、張光祖副教授團隊、賓夕法尼亞州立大學Qing Wang教授課題組、Sulin Zhang教授課題組和華中科技大學能源與動力工程學院楊諾教授團隊合作，提出了全新的基于鐵電聚合物納米線陣列—多孔氧化鋁模板的混合型電卡材料（圖1）。通過多孔氧化鋁管壁的納米應力限制效應，鐵電聚合物的結晶度得到提高，與此同時，其極性分子鏈被有序排列（圖2），該納米效應使鐵電聚合物在低場下的電卡強度得到大幅提升，電卡效應超過常規薄膜材料3倍。這大幅降低的電卡材料與制冷器使用所需的電場，極為有利于實際應用。

圖2?納米應力限制效應對電卡聚合物分子鏈進行取向的原理圖

更有意思的是，氧化鋁的熱導率高，是鐵電聚合物的30倍。如圖3，氧化鋁管壁同時為聚合物納米線陣列構筑了傳熱“高速公路”，使電卡效應產生的制冷量能在較短的時間有效的傳遞給熱負載。研究證明團隊提出的混合型電卡材料與制冷器可獲得迄今最高的制冷功率密度。

圖3

?(a)混合型電卡材料與傳統電卡薄膜的傳熱效果對比圖；(b)?混合型電卡材料與傳統電卡薄膜的制冷量傳輸結果對比；(c)混合型電卡材料與傳統電卡薄膜的制冷功率密度對比。

2019年1月7日，Advanced Materials雜志在線刊發了研究團隊的上述成果（Nanoconfinement-Induced Giant Electrocaloric Effect in Ferroelectric Polymer Nanowire Array Integrated with Aluminum Oxide Membrane to Exhibit Record Cooling Power Density，張光祖副教授為論文第一作者，姜勝林教授和Qing Wang教授為論文共同通訊作者）。研究為新一代制冷用電卡材料與器件的研究、設計與制備提供了全新思路，對推動電卡制冷走向實際應用具有重要意義。研究得到國家自然科學基金（51772108, 61675076, 61705070）等項目的支持。

原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/adma.201806642

本文由華中科技大學姜勝林教授和Qing Wang教授團隊供稿，編輯部編輯。

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