壓卡制冷(lěng)材料及技術的(de)現狀與展望

壓卡制冷(lěng)材料及技術的(de)現狀與展望

摘要：壓卡制冷(lěng)材料是一類由壓力驅動材料發生固态相變而釋放/吸收相變潛熱(rè)的(de)固體材料。壓卡制冷(lěng)技術是以壓卡材料爲工質、以壓力作爲驅動力構建的(de)新興固态制冷(lěng)技術。本文從壓卡效應基本熱(rè)力學、壓卡材料體系和(hé)壓卡制冷(lěng)樣機三個(gè)方面簡單論述該領域的(de)發展現狀。近年來(lái)壓卡材料體系蓬勃發展，涉及金屬、無機非金屬、有機物(wù)、有機-無機雜(zá)化(huà)材料等。龐壓卡效應的(de)發現使有機塑晶材料備受關注，因其大(dà)熵變、低驅動壓力、成本低廉等優點成爲有希望獲得(de)應用(yòng)的(de)一類材料。相比于此，制冷(lěng)樣機的(de)研制則略顯滞後。樣機設計中需要解決的(de)核心問題是力-熱(rè)的(de)有效耦合，選擇高(gāo)熱(rè)導率流體作爲傳熱(rè)及傳壓介質，通(tōng)過調整流體的(de)壓力和(hé)流速，同時(shí)優化(huà)壓卡制冷(lěng)工質的(de)幾何構型有望獲得(de)*佳力-熱(rè)有效耦合條件。在單級制冷(lěng)的(de)基礎上，采用(yòng)主動回熱(rè)式壓卡制冷(lěng)方式可(kě)實現連續制冷(lěng)。

關鍵詞：固态相變；壓卡制冷(lěng)技術；塑晶材料

發明(míng)于 19 世紀末的(de)氣體壓縮制冷(lěng)技術構成了(le)人(rén)類現代文明(míng)的(de)重要基石，成爲目前日常生活與工農業生産中重要的(de)制冷(lěng)方式。該技術普遍使用(yòng)以氯氟碳化(huà)物(wù)（CFC）及氫氯氟碳化(huà)物(wù)（HCFC）爲代表的(de)具有高(gāo)臭氧破壞性（ ozone depletion potential，ODP）的(de)有機氣體物(wù)質或以碳氟化(huà)合物(wù)（FC）及氫氟碳化(huà)物(wù)（HFC）爲代表的(de)具有高(gāo)溫室效應（ Global Warming Potential, GWP）的(de)有機氣體物(wù)質作爲制冷(lěng)工質。
随著(zhe)《蒙特利爾議(yì)定書(shū)》及其《基加利修正案》的(de)先後生效，這(zhè)些制冷(lěng)劑的(de)使用(yòng)被嚴格限制。因此學術界和(hé)産業界都在尋求環境友好、高(gāo)效節能型的(de)制冷(lěng)方式。按照(zhào)我國“十四五”規劃綱要和(hé)“雙碳”戰略目标的(de)要求，也(yě)亟需推動低碳高(gāo)效制冷(lěng)原理(lǐ)探索與技術進步。
基于固體材料中外場(chǎng)誘導固态相變構建的(de)固态制冷(lěng)技術，因整個(gè)制冷(lěng)過程中工質均工作于固态，無碳排放，且理(lǐ)論效率可(kě)達卡諾效率的(de) 70%，而備受關注。
根據固體材料自由度和(hé)誘發相變外場(chǎng)的(de)不同，固态相變制冷(lěng)效應（caloric effects）一般可(kě)分(fēn)爲：磁性材料中的(de)磁卡效應（magnetocaloric effect, MCE）、鐵電材料中的(de)電卡效應（electrocaloric effect, ECE）、鐵彈材料中的(de)彈卡效應（elastocaloric effect, eCE）以及壓卡效應（barocaloric effect, BCE）。由于在任意原子體系中壓力和(hé)體積均爲普遍的(de)熱(rè)力學量，因此，與其他(tā)三類效應不同，壓卡效應沒有體系選擇性。
不同于傳統的(de)軸向應力和(hé)等靜壓，近期發現以扭轉方式加載也(yě)可(kě)獲得(de)較好的(de)制冷(lěng)效應，這(zhè)被稱爲扭卡效應（twistocaloric effect）。
筆者認爲整個(gè)固态相變制冷(lěng)材料與技術的(de)發展均源于磁卡效應研究，關于磁卡效應研究方面的(de)進展可(kě)參考文獻[13-16]。

2019 年，中國科學院金屬研究所研究人(rén)員(yuán)在一系列塑晶（plastic crystals）材料中發現了(le)龐壓卡效應（colossal barocaloric effect），所報道的(de)塑晶材料 C₅H₁₂O₂（縮寫：NPG）、C(CH₂OH)₄（縮寫：PE）、(CH₃)C(NH₂)(CH₂OH)₂ ( 縮寫：AMP) 、(NH₂)C(CH₂OH)₃ (縮寫：TRIS)等的(de)等溫熵變較傳統固态相變制冷(lěng)材料高(gāo)出一個(gè)數量級。

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