壓卡製冷材料及技術的現狀與展望

壓卡製冷材料及技術的現狀與(yu) 展望

摘要：壓卡製冷材料是一類由壓力驅動材料發生固態相變而釋放/吸收相變潛熱的固體(ti) 材料。壓卡製冷技術是以壓卡材料為(wei) 工質、以壓力作為(wei) 驅動力構建的新興(xing) 固態製冷技術。本文從(cong) 壓卡效應基本熱力學、壓卡材料體(ti) 係和壓卡製冷樣機三個(ge) 方麵簡單論述該領域的發展現狀。近年來壓卡材料體(ti) 係蓬勃發展，涉及金屬、無機非金屬、有機物、有機-無機雜化材料等。龐壓卡效應的發現使有機塑晶材料備受關(guan) 注，因其大熵變、低驅動壓力、成本低廉等優(you) 點成為(wei) 有希望獲得應用的一類材料。相比於(yu) 此，製冷樣機的研製則略顯滯後。樣機設計中需要解決(jue) 的核心問題是力-熱的有效耦合，選擇高熱導率流體(ti) 作為(wei) 傳(chuan) 熱及傳(chuan) 壓介質，通過調整流體(ti) 的壓力和流速，同時優(you) 化壓卡製冷工質的幾何構型有望獲得*佳力-熱有效耦合條件。在單級製冷的基礎上，采用主動回熱式壓卡製冷方式可實現連續製冷。

關(guan) 鍵詞：固態相變；壓卡製冷技術；塑晶材料

發明於(yu) 19 世紀末的氣體(ti) 壓縮製冷技術構成了人類現代文明的重要基石，成為(wei) 目前日常生活與(yu) 工農(nong) 業(ye) 生產(chan) 中重要的製冷方式。該技術普遍使用以氯氟碳化物（CFC）及氫氯氟碳化物（HCFC）為(wei) 代表的具有高臭氧破壞性（ ozone depletion potential，ODP）的有機氣體(ti) 物質或以碳氟化合物（FC）及氫氟碳化物（HFC）為(wei) 代表的具有高溫室效應（ Global Warming Potential, GWP）的有機氣體(ti) 物質作為(wei) 製冷工質。
隨著《蒙特利爾議定書(shu) 》及其《基加利修正案》的先後生效，這些製冷劑的使用被嚴(yan) 格限製。因此學術界和產(chan) 業(ye) 界都在尋求環境友好、高效節能型的製冷方式。按照我國“十四五”規劃綱要和“雙碳”戰略目標的要求，也亟需推動低碳高效製冷原理探索與(yu) 技術進步。
基於(yu) 固體(ti) 材料中外場誘導固態相變構建的固態製冷技術，因整個(ge) 製冷過程中工質均工作於(yu) 固態，無碳排放，且理論效率可達卡諾效率的 70%，而備受關(guan) 注。
根據固體(ti) 材料自由度和誘發相變外場的不同，固態相變製冷效應（caloric effects）一般可分為(wei) ：磁性材料中的磁卡效應（magnetocaloric effect, MCE）、鐵電材料中的電卡效應（electrocaloric effect, ECE）、鐵彈材料中的彈卡效應（elastocaloric effect, eCE）以及壓卡效應（barocaloric effect, BCE）。由於(yu) 在任意原子體(ti) 係中壓力和體(ti) 積均為(wei) 普遍的熱力學量，因此，與(yu) 其他三類效應不同，壓卡效應沒有體(ti) 係選擇性。
不同於(yu) 傳(chuan) 統的軸向應力和等靜壓，近期發現以扭轉方式加載也可獲得較好的製冷效應，這被稱為(wei) 扭卡效應（twistocaloric effect）。
筆者認為(wei) 整個(ge) 固態相變製冷材料與(yu) 技術的發展均源於(yu) 磁卡效應研究，關(guan) 於(yu) 磁卡效應研究方麵的進展可參考文獻[13-16]。

2019 年，中國科學院金屬研究所研究人員在一係列塑晶（plastic crystals）材料中發現了龐壓卡效應（colossal barocaloric effect），所報道的塑晶材料 C₅H₁₂O₂（縮寫(xie) ：NPG）、C(CH₂OH)₄（縮寫(xie) ：PE）、(CH₃)C(NH₂)(CH₂OH)₂ ( 縮寫(xie) ：AMP) 、(NH₂)C(CH₂OH)₃ (縮寫(xie) ：TRIS)等的等溫熵變較傳(chuan) 統固態相變製冷材料高出一個(ge) 數量級。

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