上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院副教授錢小石、教授陳江平團(tuán)隊(duì)，與物理學(xué)院、自然科學(xué)研究院特別研究員洪亮課題組、化學(xué)化工學(xué)院教授黃興溢課題組組成的跨學(xué)科交叉研究團(tuán)隊(duì)，通過精巧設(shè)計(jì)分子缺陷調(diào)控弛豫鐵電材料，制備了一種極化高熵高分子，顯著提高低電場(chǎng)下的巨電卡效應(yīng)，并首次將循環(huán)壽命提高至逾百萬次。相關(guān)研究成果發(fā)表于《自然》，這是我國(guó)科研單位首次在《自然》發(fā)表以電卡制冷為主題的論文。

巨電卡效應(yīng)是一種奇異的凝聚態(tài)物理現(xiàn)象，利用電介質(zhì)充放電過程中的可逆電致溫變組成制冷循環(huán)，逆著溫度梯度輸運(yùn)熱量。該領(lǐng)域研究涉及工程熱物理、凝聚態(tài)物理、電子電氣工程、機(jī)械工程、有機(jī)/無機(jī)功能材料等學(xué)科，具有顯著學(xué)科交叉特色。電卡制冷系統(tǒng)使用介電電容器制冷，電能損耗小、能效高，具有零溫室效應(yīng)潛能、易于小型化/輕量化等特點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)的前瞻技術(shù)之一。然而，目前最優(yōu)的制冷電介質(zhì)仍需極高外加電場(chǎng)，才能產(chǎn)生工業(yè)化可用的降溫效果，而高電場(chǎng)在實(shí)際樣機(jī)工作過程中，極易造成材料老化與擊穿，如何提升材料在低電場(chǎng)下的電致熵變是應(yīng)用領(lǐng)域亟需攻克的難題。

為此，研究人員通過設(shè)計(jì)一系列極化高熵高分子,顯著增強(qiáng)了高分子的本征電致熵變，無需異質(zhì)材料摻雜。在較低外加電場(chǎng)(50 MVm-1)的驅(qū)動(dòng)下，這種極化高熵材料表現(xiàn)出的電卡效應(yīng)是目前最優(yōu)制冷高分子的近4倍。多種結(jié)構(gòu)表征均表明，高熵高分子同時(shí)具備更高的結(jié)晶度與更小的晶粒尺寸，據(jù)此可推測(cè)材料內(nèi)呈現(xiàn)極化基元數(shù)量的顯著增長(zhǎng)，系統(tǒng)具有更高的自由度與極化熵。

研究人員發(fā)現(xiàn)，該高熵高分子能夠在實(shí)現(xiàn)低場(chǎng)巨電卡效應(yīng)的同時(shí)表現(xiàn)出較高的機(jī)械強(qiáng)度，有利于探索該型材料后續(xù)產(chǎn)業(yè)化工藝。此外，相同工況下，循環(huán)壽命提高超過20000倍，使用該型高熵高分子的主動(dòng)回?zé)嵝椭评湎到y(tǒng)理論溫跨超過50攝氏度、大溫跨工況下熱力學(xué)完善度超過80%。

錢小石為該論文第一作者與通訊作者。洪亮、黃興溢、北京理工大學(xué)特別研究員黃厚兵為共同通訊作者。該研究得到科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃變革性技術(shù)與關(guān)鍵科學(xué)問題專項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金和上海市自然科學(xué)基金原創(chuàng)探索項(xiàng)目的資助。

(關(guān)鍵字：制冷)