北航侯慧龍Nature Reviews Materials

【導讀】

現代社會中，無處不在的制冷技術占全球能源消耗和溫室氣體排放的相當大一部分。基于蒸汽壓縮的空間制冷消耗了所有發電量的約20%?，一些常用制冷劑的全球變暖潛勢比CO₂高一千倍。已有兩個世紀歷史的蒸汽壓縮技術經過高度優化，但減少溫室氣體排放和對更高能源效率的需求，推動了對替代冷卻和制冷技術的研究。熱效應是固體材料經受一個或多個場的溫度和熵狀態的可逆變化，從而可用于實現制冷。在過去50年中，由于新材料和設備的出現，熱量制冷領域經歷了一系列轉變，這些發展促成了過去十年多熱量的出現。多熱量材料顯示出一種或多種類型的鐵序，可產生多種場誘導相變，從而增強熱量效應的各個方面。這些材料可以為提取熱量開辟新途徑，并引領迄今為止未知的技術應用。

【成果掠影】

在此，北京航空航天大學侯慧龍副教授和馬里蘭大學Ichiro Takeuchi教授（共同通訊作者）基于多熱量冷卻的新興領域，探索了對多個領域做出響應的最先進的熱量材料和系統。概述了單熱量和多熱量材料的發展，然后根據材料是單相還是復合材料以及需要單場還是多場，所有熱量制冷過程都屬于四個類別之一。然后，研究了機械熱的范圍和不同類型的變形模式，它們為實現多熱冷卻提供了多種選擇。此外，還討論了輸入能量的耗散百分比如何對多熱量材料的疲勞行為產生直接影響，展示了對多熱量制冷的未來應用的愿景，并研究了控制制冷設備整體系統效率的關鍵因素。

未來，提高效率和盡量減少制冷劑對環境影響的動力繼續推動冷卻技術的創新，多熱量材料和器件的進步可以使固態制冷技術達到商業化的技術門檻。正如 1990年代后期磁熱材料的發展推動了他們的科學追求和工業興趣一樣，相信今天的多熱量制冷有望引領熱量制冷的未來幾十年的創新。

相關研究成果以“Materials, physics and systems for multicaloric cooling”為題發表在Nature Reviews Materials上。

【核心創新點】

1.探索了對多個領域做出響應的最先進的熱量材料和系統，展示了對多熱量和熱量制冷未來應用的愿景；

2.鑒于氫氟烴的現有和即將實施的全球法規，預計熱量和多熱量制冷系統將變得更加可行，并具有滲透商業市場的潛力。

【數據概覽】

圖一、作為多熱量制冷基礎的單熱量材料的機理? 2022 Springer Nature Limited

（a，b）開啟和關閉磁場時，磁矩在對齊狀態和無序狀態之間切換，如順磁-鐵磁轉變處的磁化強度與外加磁場曲線所示；

（c，d）在打開和關閉電場時，電偶極狀態在對齊和隨機之間切換，如順電-鐵電轉變處的極化-與施加電場；

（e，f）隨著應力的施加和釋放，晶體結構在高對稱性和孿晶-然后去孿晶結構之間轉變，這可以在奧氏體-馬氏體轉變處的施加應力與應變 曲線中看到；

（g，h）當施加和去除壓力時，晶胞體積膨脹然后恢復，伴隨晶格參數的變化；

（i）一階相變的克勞修斯-克拉佩倫關系。

圖二、相變制冷的類別? 2022 Springer Nature Limited

（a）根據材料是單相還是復合材料以及應用單場還是多場，所有單熱和多熱材料和配置都可以分為四個象限；

（b）單相材料中磁熱、機械熱、電熱和多熱制冷過程之間的關系；

（c）復合材料中磁場、應力和電場過程及其組合之間關系；

（d）單場單相材料、多場單相材料、單場復合材料和多領域下的復合材料；

圖三、單熱量和多熱量制冷系統的損耗因子? 2022 Springer Nature Limited

【成果啟示】

綜上所述，在其成立不到10年的時間里，多熱量制冷已成為固態相變制冷技術中一個有前途的研究方向，除了為現有技術提供更環保的替代方案外，還具有高能量轉換效率的潛力。多熱量制冷從多鐵材料的豐富物理特性中獲得其功能，其多樣化的實施方式代表了急需的緊湊和環保制冷技術的可能性，以及開發超越傳統制冷技術的新熱設備應用的可能性。

文獻鏈接：“Materials, physics and systems for multicaloric cooling”（Nature Reviews Materials，2022，10.1038/s41578-022-00428-x）

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