交大再发Nature，聚焦这项冷门难题！
5月8日，上海交通大学机械与动力工程学院前瞻交叉研究中心钱小石教授课题组在Nature上发表“Self-oscillating polymeric refrigerator with high energy efficiency”的论文。研究人员结合弛豫铁电高分子材料在电场作用下的电致熵变（电卡效应）和电致伸缩效应，设计与制造了“自驱动”的高分子制冷薄膜系统。该系统无需外加驱动装置，而是优化了高分子制冷工质本身的机电耦合效率，设计了电-机械形变与电卡制冷效应协同驱动的方法，实现了轻量化、高能效比、高精度和智能化的制冷效果。钱小石教授为论文通讯作者，博士研究生韩东霖和硕士研究生张楹婧为共同第一作者。
巨电卡效应的电卡制冷技术因具有全固态、高能效、零温室效应潜能（GWP）及易于小型化、轻量化等理论优势，被国际能源署誉为制冷技术领域的颠覆性前瞻技术之一。在电卡制冷系统中，固态电卡材料（制冷工质）在电场的加载与卸载下实现间歇性的吸热与放热效果，并配合工质在空间位置的移动，实现与热源和热沉的交替接触，从而完成制冷循环。目前，绝大多数已报道的电卡制冷系统都依赖外置驱动设备（如机械泵、活塞、电机等），实现制冷工质的机械循环运动。这些设备往往需要分立的电源，体积、重量远大于实际系统中的电卡制冷工质。类似的设备一旦部署，如何体现电卡制冷技术在小型化、轻量化方面的优势始终是领域内的一项重要挑战。
此前，钱小石教授课题组在2021年发表的Nature论文中已证实，通过高分子链内分子修饰的手段，可以大幅提升弛豫铁电高分子材料在低电场下的熵变性能。这类材料被称为双键调控高分子（Double-bond Modified Polymer，DMP）。本文中，研究人员通过进一步优化各项单体比例，使得目标高分子兼具高“电致熵变”与高“电致伸缩应变”的性能。在66.7 MV/m的电场下，DMP表现出9 K的绝热温变和1.9%的面内应变。得益于显著提升的机-电-热耦合性能，DMP薄膜无需额外的机械驱动力输入，在电场作用下同步产生足够大的空间位移和冷热变化，仅凭自身本征物理效应即组成了完整的热力学循环。
图1 自驱动柔性制冷系统的运行机理
研究人员根据系统的运行逻辑针对性地搭建了系统温跨测试平台，并分别在热泵工况和制冷工况下对系统拉开温跨的能力进行了测试。在66.7 MV/m的电场和0.5 Hz的运行频率下，系统在两种工况下均能拉开近似于4 K的温跨，这表明系统的能量损耗相对较低。借助于界面热阻测量标定实验与有限元仿真计算，研究人员对系统温跨测试结果进行了深入分析。仿真计算结果表明，系统运行过程中的界面接触热阻和对流换热损耗是限制系统制冷性能的主要因素。
图2 自驱动柔性制冷系统拉开温跨能力的测试
如何准确地测试电卡制冷系统的性能，是该领域研究的另一项重点。前期报道的电卡制冷系统主要通过系统温跨描述性能，然而不同系统能够实现的系统温跨标准不一。本次工作中，研究人员首次将传统制冷系统测试技术引入电卡制冷系统性能测试中，搭建了适用于薄膜电卡制冷系统的焓差台，并分别独立地严格控制热源和热沉的温度。研究人员测试了在不同热源热沉温差条件下，即在不同工作温跨下电卡制冷系统能输出的制冷量，得到了系统在不同温跨条件下的额外对外制冷量与COP，而非系统在最大温跨下与热损耗相平衡时的制冷量与COP。
在零温跨下，该系统可以输出6.5 W/g的比制冷功率，瞬时制冷量与耗电量比值高达58（在电荷回收效率为80%的条件下）。在4 K的系统温跨下，该系统可以输出2.7 W/g的比制冷功率，对应的COP为24，实现了约32%的热力学完善度，这是迄今为止在电卡制冷系统研究中所报道的最高的热力学完善度。值得注意的是，系统的COP与所处温跨和能量回收效率息息相关，若提升电荷回收效率至99.7%以上，系统在零温跨下实现的COP将达到210左右。此外，由于无需外加驱动部件，本研究中搭建的薄膜制冷系统空间利用率高，其单位空间上的比制冷功率相比于领域内已报道的电卡制冷系统提升了近百倍。
图3 自驱动柔性制冷系统的制冷功率和能效比
该系统能为狭小空间内的芯片提供被动散热额外的制冷能力，迅速降低芯片表面温度。相比于空气自然对流冷却，该系统能为芯片在50 s内提供额外17.5 K的温降。研究人员利用铁电高分子的介电温谱，实现了被冷却目标温度的定点实时监测，并设计了系统制冷工作自动启停的反馈运行逻辑。研究人员还对该系统进行了超过七万次的循环稳定性测试，验证了系统的稳定性。由此，凭借其轻质、体积小、能耗低和柔性等诸多优势，基于电致伸缩效应与电卡效应协同的自驱动电卡制冷系统可以实现轻量化、柔性、高能效和智能化的主动制冷。
图4 系统的应用实例
两年多来，该团队陆续在固态相变机理、材料理化性质、器件设计与制造方面取得突破，相关工作已发表6篇Nature、Science论文，其中以第一或通讯作者发表4篇。本文揭示了基于铁电高分子的自驱动电卡制冷系统的设计机理，创新了电卡制冷系统的严格测试方法，对电卡制冷系统在各种工况下的制冷能力进行了细致和完善的表征与分析，验证了电卡制冷技术轻量化、高能效的理论优势，为未来更深入细致的学科交叉基础研究与工程应用探索提供了理论基础。钱小石教授团队已获得相关发明专利授权。研究工作得到了机械与动力工程学院陈江平教授和电子信息与电气工程学院刘钢教授等的支持，所有研究工作均由上海交通大学的研究人员完成。研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海市自然科学基金、上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室、上海交通大学“深蓝计划”项目、重点前瞻布局基金、“交大2030”项目的支持。研究工作还得到了上海交通大学学生创新中心、上海交通大学分析测试中心以及转化医学国家重大科技基础设施（上海）的支持。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41586-024-07375-3
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来源：机械与动力工程学院
编辑：“四力”共行计划成员
中英国际低碳学院 谢乐薇
责任编辑：陈煜阳
主编：金雪
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