這位老師在固態相變制冷上的進展 發在了Nature Reviews Materials

制冷技術在全球能源消耗和溫室氣體排放中占相當高的比例，基于蒸汽壓縮的空間冷卻和制冷消耗了約20%的發電量，一些常用制冷劑的引起溫室效應能力比CO₂高出千倍。減少溫室氣體排放的呼吁和對更高能源效率的要求繼續推動冷卻和制冷技術的研究。固態制冷技術（包含磁熱制冷、機械熱制冷和電熱制冷及其他）近年來引起關注。固態相變制冷技術是基于固體材料內在序參量在外場源下的可逆改變引起材料的吸/放熱效應，經熱力學循環實現制冷，具有綠色環保、節能高效、低噪穩定等諸多優點，不僅具有巨大的市場經濟價值與社會環保意義，而且在航空航天、空間探測等領域也具有重要應用前景。

2022年3月29日，Nature Reviews Materials以題為“Materials, physics and systems for multicaloric cooling”在線刊發了北京航空航天大學侯慧龍副教授（一作兼通訊）、美國馬里蘭大學的Ichiro Takeuchi教授（通訊作者）在固態相變制冷領域取得的新進展。此工作在梳理和歸納了單場以及多場轉換與調控固態相變制冷技術的基礎上，從材料、物理、系統三個層次進行了原創性的研究工作，實現了場致熵變的聯合增效，建立了相變制冷材料的延壽準則，完善了多場功-能轉換器件的評價體系。該工作不僅是對單場致效應的歸納與補充，而且豐富和拓寬了多場作用下制冷材料與器件的種類及概念范疇。

強烈反響

這篇論文上線不到3天，全文訪問數量高達554次，其Altmetric指數為3，這篇文章在所有期刊上追蹤的174385篇相同發表時間的文章中位于第59百分位數（第68713位），在《Nature Reviews Materials》上追蹤的10篇相同發表時間的文章中位于第1百分位數（第10位），可見這項成果在學界重大影響力。值得一提的是，《Nature Reviews Materials》最新影響因子高達66.308，在全球物質類研究期刊（材料、化學、物理、工程、機械等）中排名第一，這也是北航建校以來發表在該期刊上的第二篇成果。

以單場致效應材料研究為基石的多場轉換與調控制冷技術

（a-b）在打開/關閉磁場時，磁矩在有序和無序狀態之間切換示意圖，這在順磁-鐵磁轉換時的磁化強度（M）與外加磁場（H）的關系得以體現。

（c-d）在打開/關閉電場時，電偶極態在有序和無序之間變化，這在順電-鐵電轉變時的極化（P）與外加電場（E）關系中體現。

（e-f）隨著應力的施加和釋放，晶體結構在高對稱性和孿晶結構之間轉變，這可以在奧氏體-馬氏體轉變處的施加應力（σ）與應變（ε）曲線中體現。

（g-h）當施加/移除壓力時，晶胞體積發生相應變化，伴隨晶格參數的變化，如壓力誘導的立方-正交轉變下體積（V）與施加壓力（p）曲線所示。

（i）一級相變的克勞修斯-克拉珀龍關系。

據侯慧龍老師介紹：“多場轉換與調控制冷技術，文獻中也稱多卡制冷技術，其主要特點是以彈熱、磁熱、電熱等單場致效應為基礎，利用彈熱效應所對應的結構相變通常伴隨著磁熱效應的磁相變和電熱效應的電偶極子相變，形成磁場、力場、電場等多場作用下磁熵、晶格熵和極化熵的多場轉換機理和調控。目前，多卡效應研究才剛剛起步，處于萌芽階段。該新興方向的發展迫切需要多卡效應材料與器件的綜合體系和設計準則。”

設計策略

（a）根據材料類型（單相材料或復合相材料）以及外場個數（單個或多個），固態相變制冷類型的分類。

（b-c）針對單相材料和復合相材料的磁熱、電熱和力熱效應，細分單場致效應和多場致效應之間的關系。

（d）多場響應材料與器件的分類設計。

對于提出力磁電多場響應材料與驅動場的協同設計策略，侯老師介紹是當初綜合分析了力磁電多場響應材料的內稟序參量，以及共軛外場的物理過程，發現磁化強度、電極化強度、機械強度等內稟序參量與對應的力場、電場、磁場等共軛外場在相變過程、物理描述和宏觀行為上存在共通性，然后發展了一級相轉變材料在零場和非零場的相圖和熵變公式。

所提出的多場響應材料與驅動場協同設計策略，完善了材料類型（單相、復合相）與共軛外場對于熵變符號的多場調控機制，動態調控場致熵變（磁熵、晶格熵和極化熵），實現了多場致熵變的聯合增效。

性能指數評估

從材料制冷性能系數出發，揭示了驅動損失、傳熱損失、循環損失、寄生損失四類損失對于器件制冷性能系數逐級削減的影響規律，提出在器件設計中多場材料與器件的性能評價體系。

侯老師認為評價體系的意義在于，能夠從材料制冷性能系數出發，綜合評估驅動損失、傳熱損失、循環損失、寄生損失四類損失對于器件制冷性能系數逐級削減的影響程序，完善在器件設計中，多場材料與器件的性能評價。在實際應用中，縱觀材料學領域關注材料性能與機械制冷工程領域關注器件性能這兩個端點，該評價體系的主要優勢在于搭建了連接這兩個端點的評價體系。

前景展望

作者深入系統地梳理和歸納了彈熱、磁熱、電熱、壓熱等單場致效應，以及力電磁多場轉換與調控的發展過程與研究現狀。在此基礎上，通過分析力、磁、電等多場響應材料的內在序參量，以及共軛外場的物理過程，發現磁化強度、電極化強度、機械強度等內在序參量與對應的磁場、電場、力場等共軛外場在相變過程、物理描述和宏觀行為上存在共通性，發展了一級相變材料在零場和非零場條件下的通用相圖和熵變公式。通過綜合分析一級相變制冷材料中減小相變滯后的策略與機理，發現在功-能轉換過程中滯后損耗所帶來的損耗功，主要通過其在輸入功的占比，以及改變用于逆向轉變的彈性能來影響材料的功能壽命。基于實驗結果，提出損耗功在輸入功占比小于10%是一級相變制冷材料達到百萬次循環以上功能壽命的延壽準則，建立了一級和二級相變所對應的功能壽命預測公式，完善了在器件設計中，多場材料與器件的性能評價體系。

在提出不到10年的時間里，多熱冷卻已經成為固態冷卻領域極具前途的研究方向，除了為現有技術提供更綠色的替代品外，還具有高能量轉換效率的潛力。多熱冷卻在制造具有定制性能的廉價材料方面的進步，以及在緊湊、高性能冷卻系統的系統設計方面的創新，有望降低成本。

團隊介紹

侯慧龍，北京航空航天大學航空科學與工程學院副教授，2015年畢業于美國賓夕法尼亞州立大學，獲博士學位；2016-2019年在美國馬里蘭大學從事博士后研究工作；2017-2018擔任美國國家標準和技術研究所客座研究員。曾獲2020中國十大新銳科技人物。代表性研究成果發表在Science、Nature Communications等國際期刊上。擔任國際相變制冷會議科學委員會委員、北京新曦顛覆性技術創新基金會技術專家等。

文獻鏈接：Materials, physics and systems for multicaloric cooling ( Nat. Rev. Mater. 2022, DOI: 10.1038/s41578-022-00428-x)

本文由大兵哥供稿。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱：tougao@cailiaoren.com

投稿以及內容合作可加編輯微信：cailiaokefu