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    我国学者在塑晶材料中发现庞压卡效应

    日期 2019-04-04   来源:工程与材料科学部   作者:邓意达 卢遵铭 郑雁军  【 】   【打印】   【关闭

    图. 塑晶材料与当前主流固态相变制冷材料的最大等温熵变的对比

      在国家自然科学基金项目(批准号:51671192,51531008,11804346)等资助下,中国科学院沈阳金属研究所李昺研究员、张志东研究员、任卫军研究员等与日本、美国以及澳大利亚科研人员开展合作研究,在塑晶材料中发现庞压卡效应,为高效制冷提供新思路。研究成果以“Colossal Barocaloric Effects in Plastic Crystals”(塑晶中的庞压卡效应)为题,于2019年3月28日在Nature(《自然》)上发表,论文链接:https://www.nature.com/articles/s41586-019-1042-5。

      联合国统计数据表明,全球每年有25-30%电力消耗于各种制冷应用。这些应用绝大部分依赖传统的气体压缩制冷技术,此技术普遍使用对环境和人体有害的制冷剂。因此,寻求绿色、环保、低能耗的替代制冷方案已经成为学术界和工业界共同努力的方向。特别是当前我国高端制冷压缩机技术仍然欠缺,探索新的制冷技术方案有望从根源上解决该技术领域的“卡脖子”问题。基于固态相变热效应(caloric effects)的固态制冷技术被认为是最有希望取代传统气体压缩制冷的技术方案,固态相变制冷材料的性能主要由等温熵变所描述。经过数十年的发展,虽然主流固态相变制冷材料的等温熵变提高到了50 J kg-1K-1左右,但仍需要较大外场,这成为该技术走向应用的障碍。

      最近李昺研究员等研究团队选择了一种名为新戊二醇(NPG)的塑晶材料,运用高压热测量技术、高压中子散射技术、高压同步辐射X射线衍射技术等,发现该材料的等温熵变最高值较传统固态相变制冷材料高出一个数量级(如图),在45.0 MPa压力条件下的等温熵变可达最大值(389 J kg-1K-1),且在15.2 MPa下可达到最大值的一半,这一现象称之为庞压卡效应(Colossal barocaloric effects,CBCEs)。研究表明,该材料在相对较小的压力下便能诱导材料结构发生变化,产生巨大的熵变,并揭示了塑晶材料出现庞压卡效应的深层次物理机制——塑晶高度无序,即分子取向不规则。该研究工作借助大科学装置成功地确立了庞压卡效应的物理机制,并将塑晶引入固态相变制冷材料研究领域,丰富了固态相变制冷研究的材料体系,为发现和设计性能更加优异的高效制冷材料提供了新的途径。




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