香港科技大學孫慶平教授團隊Nature Communications：鎳鈦絲新型纏繞彎曲驅動方式實現連續且高效的彈卡空氣制冷

一、【導讀】??

利用形狀記憶合金相變熱實現制冷效果的彈卡固態制冷技術近年來獲得了研究者們的大量關注與發展。其技術以高效、低碳、材料可回收利用等優點，被許多國家能源部評估為最有可能取代現有蒸汽壓縮制冷技術的新型制冷技術之一。目前對彈卡固態制冷技術的研究涵蓋于制冷材料的研發制備與原型機的集成設計兩方面，旨在推動彈卡固態制冷技術在實際制冷場景的應用，如室內空間制冷、微電子冷卻和超低溫制冷等方面。

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二、【成果掠影】

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近日，Nature Communications在線刊登了香港科技大學機械與航空航天工程系孫慶平教授團隊的研究論文“Continuous and efficient elastocaloric air cooling by coil-bending”。該工作提出了一種新型的絲線纏繞彎曲驅動方式，通過彎曲變形低驅動力與獨特螺紋排布等特點，在鎳鈦形狀記憶合金絲上實現了穩定持續的低溫冷區。并以此驅動方式制作了緊湊型空氣制冷原型機，整臺樣機尺寸僅有300 × 250 × 200 mm³，并實現了高效且連續地輸出冷空氣，空氣溫降高達10.6 ℃，樣機能效比（制冷功率和驅動鎳鈦絲變形的機械功率之比）高達3.7。

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?三、【核心創新點】

傳統彈卡固態制冷原型機中常以單軸變形（壓縮與拉伸）來誘發鎳鈦形狀記憶合金的相變，這種驅動方式存在著大驅動力（比驅動力約為300 N/g）、低效、安全系數低等問題，非常不利于制冷設備的小型化與家用化。本團隊以彎曲這種不均勻應變的變形為出發點，提出了絲線纏繞彎曲驅動方式，將誘發鎳鈦形狀記憶合金相變的所需比驅動力降至26 N/g，與先前的原型機相比降低了一個數量級以上。同時，團隊通過螺紋排布的傳動結構設計，實現了鎳鈦形狀記憶合金絲纏繞端形成熱區，未纏繞端形成恒定的冷區（如圖1所示）。區別于傳統彈卡固態制冷技術中材料存在冷熱同源的情況，此驅動技術將冷熱源自動分離，減少了額外換熱部件的需求，提高了系統的運行頻率。通過氣泵將外界空氣送進恒定冷區，便可實現冷空氣連續輸出。串聯和并聯的空氣通道分別用于獲得出口空氣的大溫降和高系統能源轉換效率比（如圖2與3所示）。

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?四、【數據概覽】

圖1 ?絲線纏繞彎曲驅動原理 ?

圖2 ?串聯空氣流道與制冷器的制冷表現???

圖3 ?并聯空氣流道與制冷器的制冷表現 ??

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五、【成果啟示】

綜上，通過提出一種新型的絲線纏繞彎曲驅動方式，研究團隊實現了高效且連續的空氣制冷。這種驅動方式為彈卡固態制冷的研究提供了新的平臺，并促進了彈卡固態制冷商業化的進一步發展。同時，本工作也為材料科學領域的相變材料的研究提供了新的應用場景，有望激發研究人員對傳統金屬或高分子材料產生新的研究動力。

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原文詳情：

此工作由香港科技大學孫慶平教授課題組完成。孫慶平教授與華鵬教授為本文共同通訊作者，香港科技大學李學師博士為本文第一作者。

Continuous and efficient elastocaloric air cooling by coil-bending

https://doi.org/10.1038/s41467-023-43611-6

作者和團隊簡介：

香港科技大學孫慶平教授團隊：課題組主要研究形狀記憶合金材料及其彈卡制冷領域的應用，組內研究方向分為兩類：1. 研發先進納米結構形狀記憶合金(SMA)；2. 研發新型基于SMA的固態制冷劑結構和樣機。在形狀記憶合金的相變力學、熱力耦合、加工制備、微結構調控、性能提升以及彈卡制冷樣機等方面有長期的積累和大量優秀論文發表。課題組長期招收博士生，組內經費充足，各項先進設備齊全，國際合作交流機會多，歡迎有興趣的同學電郵聯系孫慶平教授。

孫慶平教授，現為香港科技大學機械及航空航天工程系系主任，是國務院“國家特聘專家”,曾主持國家千人計劃項目、國家杰青、國家海外杰青項目以及香港政府研究基金項目50余項。發表學術論文300余篇，曾任法國著名大學的客座教授。獲國家自然科學獎、教育部自然科學獎、國際科學數據索引(ISI-SCI)頒發的“華人經典引文獎”、歐盟科學院院士等榮譽。主要研究方向為形狀記憶合金（SMA)和基于SMA的新型低碳固態制冷技術，在Joule, Nature Nanotechnology, JMPS, Acta Materialia等國際頂刊發表300余篇文章，獲得多項NSFC、RGC和深圳香港聯合創新項目等經費資助。

李學師，香港科技大學博士后，博士畢業于香港科技大學，研究方向為形狀記憶合金的彈卡制冷應用、彈卡制冷驅動、傳熱系統分析、系統熱管理。研究致力于發展高效節能的新型彈卡固態制冷技術，實現低碳制冷和未來可持續的能源發展。其成果發表在Nature Communications，Applied Thermal Engineering等國際知名期刊。

華鵬，現為哈爾濱工業大學（深圳）教授，博士生導師，國家海外優秀青年基

金獲得者，博士畢業于香港科技大學。專注于研究用于彈卡制冷的高性能形狀記憶合金，致力于建立形狀記憶合金的成分-加工工藝-微結構-性能關聯，提升合金的疲勞抗性和制冷表現，促進彈卡制冷技術的發展普及。研制了具有過億次穩定循環相變的晶體非晶復相鎳鈦合金。成果發表在Acta Materialia，Nature Communications，Nature Nanotechnology等國際知名期刊。