北航在固態(tài)相變制冷領(lǐng)域取得新進(jìn)展

2022年3月29日，Nature Reviews Materials以Materials, physics and systems for multicaloric cooling為題報(bào)道了北京航空航天大學(xué)侯慧龍副教授在固態(tài)相變制冷領(lǐng)域取得的新進(jìn)展。

侯慧龍副教授及其長(zhǎng)期合作者深入系統(tǒng)地梳理和歸納了彈熱、磁熱、電熱、壓熱等單場(chǎng)致效應(yīng)，以及力電磁多場(chǎng)轉(zhuǎn)換與調(diào)控的發(fā)展過(guò)程與研究現(xiàn)狀。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行了原創(chuàng)性的研究工作，即通過(guò)分析力磁電多場(chǎng)響應(yīng)材料的內(nèi)稟序參量，以及共軛外場(chǎng)的物理過(guò)程，發(fā)現(xiàn)磁化強(qiáng)度、電極化強(qiáng)度、機(jī)械強(qiáng)度等內(nèi)稟序參量與對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)、電場(chǎng)、力場(chǎng)等共軛外場(chǎng)在相變過(guò)程、物理描述和宏觀行為上存在共通性，發(fā)展了一級(jí)相變材料在零場(chǎng)和非零場(chǎng)條件下的通用相圖和熵變公式。發(fā)現(xiàn)場(chǎng)致熵變聯(lián)合增效的關(guān)鍵在于對(duì)熵變符號(hào)的多場(chǎng)調(diào)控。提出了力磁電多場(chǎng)響應(yīng)材料與驅(qū)動(dòng)場(chǎng)的協(xié)同設(shè)計(jì)策略，完善了材料類型（單相、復(fù)合相）與共軛外場(chǎng)對(duì)于熵變符號(hào)的多場(chǎng)調(diào)控機(jī)制，動(dòng)態(tài)調(diào)控場(chǎng)致熵變（磁熵、晶格熵和極化熵），實(shí)現(xiàn)了多場(chǎng)致熵變的聯(lián)合增效。

通過(guò)綜合分析一級(jí)相變制冷材料中減小相變滯后的策略與機(jī)理，發(fā)現(xiàn)在功-能轉(zhuǎn)換過(guò)程中滯后損耗所帶來(lái)的損耗功，主要通過(guò)其在輸入功的占比，以及改變用于逆向轉(zhuǎn)變的彈性能來(lái)影響材料的功能壽命?；谠囼?yàn)結(jié)果，提出損耗功在輸入功占比小于10%是一級(jí)相變制冷材料達(dá)到百萬(wàn)次循環(huán)以上功能壽命的延壽準(zhǔn)則，建立了一級(jí)和二級(jí)相變所對(duì)應(yīng)的功能壽命預(yù)測(cè)公式。更重要的是，基于能量形式建立的延壽準(zhǔn)則和公式，可從單場(chǎng)效應(yīng)材料體系推廣至多場(chǎng)效應(yīng)體系，具有普適性，表明了力磁電多場(chǎng)響應(yīng)材料內(nèi)稟序參量與共軛外場(chǎng)具有共同的驅(qū)動(dòng)因素。從材料制冷性能系數(shù)出發(fā)，揭示了驅(qū)動(dòng)損失、傳熱損失、循環(huán)損失、寄生損失4類損失對(duì)于器件制冷性能系數(shù)逐級(jí)削減的影響規(guī)律，完善了在器件設(shè)計(jì)中，多場(chǎng)材料與器件的性能評(píng)價(jià)體系。同時(shí)，以磁性形狀記憶合金為模型材料，獲得多場(chǎng)協(xié)同增效制冷器件，核心材料性能指數(shù)為24.5，達(dá)到同期國(guó)際最高水平。

在該項(xiàng)工作中，合作者是來(lái)自西安交通大學(xué)的錢蘇昕副教授和馬里蘭大學(xué)的Ichiro Takeuchi教授。此項(xiàng)工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)、北京航空航天大學(xué)青年拔尖人才支持計(jì)劃、北京航空航天大學(xué)杭州創(chuàng)新研究院（余杭）的資助。