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流行近百年的制冷技術(shù)，或?qū)⒈烩佀徭J材料突破！極限制冷效率可提高近百倍 i

文章來源：賢集網(wǎng) 更新時間：2024-05-17 16:21:34

材料力學(xué)的應(yīng)變工程被業(yè)界稱為“點(diǎn)石成金”術(shù)，其重要手段之一就是通過脈沖激光沉積技術(shù)，在某種襯底上外延生長另外一種薄膜材料，從而實現(xiàn)由晶胞結(jié)構(gòu)失配帶來的外延應(yīng)變。

國防科技大學(xué)研究團(tuán)隊與國內(nèi)外多所高校和研究機(jī)構(gòu)合作，受“點(diǎn)石成金”術(shù)啟發(fā)，首次在先兆型鐵電體鈦酸鍶氧化物薄膜中實現(xiàn)了應(yīng)變增強(qiáng)的電卡效應(yīng)，使體相鈦酸鍶材料電卡制冷效率提高10倍以上，在居里溫度（243K）附近制冷效率甚至可提高近百倍。

鈦酸鍶材料是一種被稱為“先兆型鐵電體”或“量子順電體”的材料，只在接近絕對零度（-273℃）時才展現(xiàn)出鐵電性或電卡制冷效應(yīng)。那么，如何讓鈦酸鍶發(fā)揮更強(qiáng)的電卡效應(yīng)？

1、大幅提高制冷效率

天然材料中的電卡效應(yīng)比較弱，最佳工作溫度也偏低或偏窄。解決這些問題一方面需要繼續(xù)尋找或者合成新材料，另一方面需要在無機(jī)材料中通過經(jīng)典的摻雜或離子代換等工藝提高電卡效應(yīng)或其工作溫度。“但這樣往往會因摻雜引發(fā)的缺陷導(dǎo)致漏電乃至器件擊穿損壞，對產(chǎn)業(yè)應(yīng)用不利。”張森說。

“鈦酸鍶材料‘底子好’，如何培養(yǎng)它產(chǎn)出新材料，是團(tuán)隊一直在思考的問題。”張森表示，材料力學(xué)界的“點(diǎn)石成金”術(shù)在超導(dǎo)、磁性以及鐵電特性的調(diào)控方面都有應(yīng)用，團(tuán)隊受此啟發(fā)將其用在電卡增強(qiáng)上并取得成功。

據(jù)介紹，這項研究前后持續(xù)了7年多，僅論文就修改了30余稿，難度主要集中在高質(zhì)量薄膜制備、結(jié)構(gòu)的精細(xì)表征、各種電學(xué)效應(yīng)精確測試、朗道理論的全面和深入分析。

研究團(tuán)隊反復(fù)驗證推敲，最終通過脈沖激光沉積技術(shù)在鈧酸鏑單晶襯底上外延生長出高質(zhì)量鈦酸鍶薄膜，使鈦酸鍶固有的電卡效應(yīng)在172K至300K溫度區(qū)間提高10倍以上，在243K附近達(dá)到上百倍的增強(qiáng)效應(yīng)。這意味著原來的體相鈦酸鍶材料電卡制冷效率被提高了10倍以上，離實際應(yīng)用更近一步。

“我們提出的應(yīng)變增強(qiáng)方案是一種新思路，可較好地避免漏電、器件擊穿損壞等問題，但這也對薄膜生長工藝提出了更高的要求。”張森表示，研究提出的通過外延應(yīng)變增強(qiáng)鈣鈦礦氧化物薄膜電卡效應(yīng)方案，為拓展電卡材料研究體系提供了新思路，也為未來高效節(jié)能、環(huán)保便捷的新型制冷技術(shù)提供了重要參考。

據(jù)介紹，該論文投稿過程中，3位審稿專家都給予了肯定，認(rèn)為在鈦酸鍶材料中進(jìn)行系統(tǒng)表征并實現(xiàn)電卡及其增強(qiáng)效應(yīng)“實屬罕見”，該研究代表了電卡領(lǐng)域的革新成果和重要進(jìn)展。

2、研究“固體物理中的果蠅”

團(tuán)隊的研究成果離應(yīng)用還有多遠(yuǎn)？張森說，目前電卡效應(yīng)在國際上已有部分應(yīng)用，目標(biāo)也很明確，就是打造低碳、環(huán)保的新型制冷技術(shù)。“我們的這項研究成果雖然增強(qiáng)效應(yīng)強(qiáng)，但鈦酸鍶本身的效應(yīng)太弱，最終增強(qiáng)后的電卡效應(yīng)也不是很高，離實際應(yīng)用可能還有比較長的距離。樂觀估計，或許未來5至10年其有望在紅外制冷、芯片原位熱管理等領(lǐng)域得到初步應(yīng)用。”

諾貝爾物理學(xué)獎獲得者K. Alex Muller稱鈦酸鍶是“固體物理中的果蠅”，很多重要的固體物理現(xiàn)象都是從該材料上發(fā)現(xiàn)的，甚至其中還有一些至今尚未被完全理解的現(xiàn)象。

“目前來看，本研究的價值更多體現(xiàn)在給物理以及材料科學(xué)帶來的啟示意義上。我們的研究以鈦酸鍶為范本，從物理上證明了外延應(yīng)變是增強(qiáng)現(xiàn)有材料電卡效應(yīng)的有效方案，可啟發(fā)更多相關(guān)研究工作，從而促進(jìn)無機(jī)電卡效應(yīng)研究的發(fā)展與進(jìn)步。”張森表示。

3、10大新型制冷技術(shù)

隨著氣候變化和環(huán)保意識的提高，傳統(tǒng)的制冷技術(shù)面臨許多挑戰(zhàn)。因此，近年來涌現(xiàn)出了許多新型制冷技術(shù)，以提高效率、降低能耗和環(huán)境影響為目標(biāo)。以下是10種最具前景的新型制冷技術(shù)：

磁制冷技術(shù)

利用磁場改變材料溫度的特性，實現(xiàn)無需壓縮機(jī)和制冷劑即可實現(xiàn)制冷。

聲波制冷技術(shù)

通過聲波產(chǎn)生壓縮和膨脹循環(huán)，實現(xiàn)制冷效果。

圣戈班效應(yīng)制冷技術(shù)

利用材料在磁場作用下出現(xiàn)的溫度差異，實現(xiàn)制冷效果。

濕度控制制冷技術(shù)

通過調(diào)節(jié)濕度來控制空氣中的水分含量，從而實現(xiàn)制冷效果。

電吸收制冷技術(shù)

利用電場使制冷劑發(fā)生相變，實現(xiàn)制冷效果。

導(dǎo)熱材料制冷技術(shù)

利用導(dǎo)熱材料將熱量從低溫區(qū)域傳導(dǎo)到高溫區(qū)域，實現(xiàn)制冷效果。

熱電制冷技術(shù)

利用材料在溫差作用下產(chǎn)生的電壓和電流變化來實現(xiàn)制冷效果。

基于碳納米管的制冷技術(shù)

利用碳納米管的特殊結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，實現(xiàn)制冷效果。

微通道制冷技術(shù)

通過微通道內(nèi)的流體循環(huán)實現(xiàn)制冷效果。

熱泵制冷技術(shù)

利用熱泵原理將低溫區(qū)域的熱量轉(zhuǎn)移到高溫區(qū)域，實現(xiàn)制冷效果。

這些新型制冷技術(shù)在不同程度上都具有高效、低能耗、環(huán)保等優(yōu)勢，將在未來的清涼世界中扮演重要角色。

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