华中科技大学姜胜林教授、张光祖副教授团队在基于铁电聚合物的高性能电卡制冷研究中取得新进展
2019年1月7日，Advanced Materials杂志在线刊发了华中科技大学光学与电子信息学院姜胜林教授、张光祖副教授团队关于高性能电卡制冷研究的最新成果“Nanoconfinement-Induced Giant Electrocaloric Effect in Ferroelectric Polymer Nanowire Array Integrated with Aluminum Oxide Membrane to Exhibit Record Cooling Power Density”。该研究为新一代制冷用电卡材料与器件的研究、设计与制备提供了全新思路，对推动电卡制冷走向实际应用具有重要意义。张光祖副教授为论文第一作者，姜胜林教授和Qing Wang教授为论文共同通讯作者。
制冷技术的应用覆盖了国家安全、工农业生产、生物医疗、科学研究和日常生活等各领域。目前制冷仍几乎完全依赖压缩机技术，但压缩机制冷无法摆脱制冷剂的使用，对全球环境和气候影响显著。此外，压缩机制冷效率低，每年消耗超过6%的全球总电能，间接排放CO2约52亿吨，进一步危害环境。再者，压缩机体积大、重量重，无法用于集成电路芯片的局域制冷。因此，开发体积小、重量轻的新型高效环保制冷技术迫在眉睫。电卡效应通过电场来诱导铁电体的相变和偶极熵变、控制材料的吸/放热过程，可实现热搬运和制冷。电卡制冷无需危害环境的制冷剂，效率更是压缩机制冷的3-5倍，且具有体积小和重量轻的特点。电卡效应将为制冷技术的发展带来革命性突破。
电卡制冷走向实用的关键在于高性能电卡材料的制备。铁电聚合物是实现高性能电卡制冷最具潜力的材料之一，但是其强电卡效应需要较高的电场来激发。另外，聚合物热导率低，这严重制约了电卡材料与制冷器的快速传热，限制了其实际制冷效果。
图1 (a)铁电聚合物纳米线阵列—多孔氧化铝模板混合型电卡材料示意图；(b-i) 混合型电卡材料的微观结构图
针对这个问题，华中科技大学光学与电子信息学院姜胜林教授、张光祖副教授团队、宾夕法尼亚州立大学Qing Wang教授课题组、Sulin Zhang教授课题组和华中科技大学能源与动力工程学院杨诺教授团队展开合作，提出了全新的基于铁电聚合物纳米线阵列—多孔氧化铝模板的混合型电卡材料（图1）。通过多孔氧化铝管壁的纳米应力限制效应，铁电聚合物的结晶度得到提高，与此同时，其极性分子链被有序排列（图2），该纳米效应使铁电聚合物在低场下的电卡强度得到大幅提升，电卡效应超过常规薄膜材料3倍。这大幅降低的电卡材料与制冷器使用所需的电场，极为有利于实际应用。
图2 纳米应力限制效应对电卡聚合物分子链进行取向的原理图
更有意思的是，氧化铝的热导率高，是铁电聚合物的30倍。如图3，氧化铝管壁同时为聚合物纳米线阵列构筑了传热“高速公路”，使电卡效应产生的制冷量能在较短的时间有效的传递给热负载。研究证明团队提出的混合型电卡材料与制冷器可获得迄今最高的制冷功率密度。
图3 (a)混合型电卡材料与传统电卡薄膜的传热效果对比图；(b) 混合型电卡材料与传统电卡薄膜的制冷量传输结果对比；(c)混合型电卡材料与传统电卡薄膜的制冷功率密度对比
该研究得到国家自然科学基金（51772108, 61675076, 61705070）等项目的支持。
论文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/adma.201806642
来源：华中科技大学
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