这些新型变形材料会压力下迅速冷却或可制造环保型冰箱和空调

在过去的几十年里,研究人员已经发现了越来越强大的热量材料。最终的目标是制造环保冰箱和空调–热能制冷设备不会泄漏有害的制冷剂。但更好的制冷设备需要更好的材料。

材料改变温度的可能性越大,效率越高。去年,研究人员确定了两种独特类型的材料,它们可以以前所未有的数量变化。一个响应施加的力,另一个响应压力。它们的温度变化–简称 “δT”–都能达到30摄氏度以上的剧烈变化。

到目前为止,最好的弹性热量材料是形状记忆合金。它们之所以能发挥作用,是因为发生了相变,类似于液态水冻结成冰。在一个阶段,材料可以变形并保持变形。但如果你加大热量,合金的晶体结构就会过渡到一个更坚硬的相位,并恢复到之前的任何形状(因此被称为形状记忆合金)。

这些新型变形材料会压力下迅速冷却或可制造环保型冰箱和空调---DTU Energy的弹性热泵原型
DTU Energy的弹性热泵原型

晶体结构在这两相之间的转变会引起熵的变化。虽然熵与系统的无序性有关,但更精确的描述是衡量一个系统可以有多少种构型。

在像镍钛这样的形状记忆合金中–它表现出最大的弹性热效应之一–刚性相的晶体结构是立方体。柔韧相形成斜方体,即菱形拉长的立方体。

这些新型变形材料会压力下迅速冷却或可制造环保型冰箱和空调

这些材料的进展一直稳定。Takeuchi及其同事在2012年测得镍钛丝的温度变化为17摄氏度。三年后,卢布尔雅那大学的贾卡·图谢克(JakaTušek)等人发现类似电线的角度变化为25度。

去年,北京科技大学的一个小组发现了一种新型镍锰钛形状记忆合金,这种合金被他们称为31.5度的“巨大”温度变化。巴塞罗那大学的固态物理学家安东尼·普兰斯说:“到目前为止,这种材料是最好的。”

不过形状记忆合金也有局限性。值得注意的是,如果你反复挤压一块金属,材料是会疲劳的。

部分由于这个原因,研究人员也追求“压力”材料,当您施加压力时,材料会发热。这是相同的基本原理:压力引起相变,降低熵并加热材料。

一种有趣的材料是新戊二醇,一种塑料晶体。这种材料柔软易变形,由松散结合在晶体结构中的分子组成。

这些新型变形材料会压力下迅速冷却或可制造环保型冰箱和空调--北京科技大学的镍锰钛形状记忆合金
北京科技大学的镍锰钛形状记忆合金

新戊二醇的分子是圆形的,排列在三维晶格中。它们之间的相互作用很小,可以旋转到大约60个不同的方向。但是施加足够的压力,分子就会卡住。使用更少的可能配置,材料的熵下降。

塑料晶体的挤压意味着挤压它会减小其体积,甚至会进一步降低熵。剑桥大学的固态物理学家Xavier Moya说:“由于它们在某种程度上介于固体和液体之间,因此当您施加压力时,它们可以显示出更大的熵变。”

去年,有两个团队实现了有记录以来最大的气压效应。两个团队都没有直接测量温度变化,但包括Planes和Moya在内的欧洲团队报告了500J / kg / K的熵变化–这是有史以来固体最大的变化,与商业液体制冷剂的熵变化相当。他们计算出相应的温度变化至少为40度。另一个位于中国沈阳材料科学国家实验室的团队报告了389 J / kg / K的熵变。

但仍存在许多实际挑战。新的里程碑需要数千个大气压的巨大压力。这样的压力也要求材料必须密封。如果你把整个系统密封起来,这种材料和周围环境之间很难进行热交换。

剑桥大学的固态物理学家Xavier Moya正在为他创办的一家名为Barocal的制冷公司开发专有系统,该公司是全球制冷奖的入围者,这是一项寻找可持续制冷技术的国际竞赛。同时,Takeuchi在2009年成立了马里兰能源和传感器技术公司,以实现弹性热制冷的商业化。目前正在开发的商业化产品采用的是铜基形状记忆合金,这种合金比较柔软,不像镍钛合金那样需要巨大压力。

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