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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(lái)源：賢集網(wǎng)     更新時(shí)間：2024-05-17 16:21:34
材料力學(xué)的應(yīng)變工程被業(yè)界稱(chēng)為“點(diǎn)石成金”術(shù)，其重要手段之一就是通過(guò)脈沖激光沉積技術(shù)，在某種襯底上外延生長(zhǎng)另外一種薄膜材料，從而實(shí)現(xiàn)由晶胞結(jié)構(gòu)失配帶來(lái)的外延應(yīng)變。



國(guó)防科技大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)與國(guó)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(shí)現(xiàn)了應(yīng)變?cè)鰪?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(chēng)為“先兆型鐵電體”或“量子順電體”的材料，只在接近絕對(duì)零度（-273℃）時(shí)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(wèn)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(wú)機(jī)材料中通過(guò)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(huì)因摻雜引發(fā)的缺陷導(dǎo)致漏電乃至器件擊穿損壞，對(duì)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用不利。”張森說(shuō)。







“鈦酸鍶材料‘底子好’，如何培養(yǎng)它產(chǎn)出新材料，是團(tuán)隊(duì)一直在思考的問(wèn)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(duì)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(xiàng)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(cè)試、朗道理論的全面和深入分析。



研究團(tuán)隊(duì)反復(fù)驗(yàn)證推敲，最終通過(guò)脈沖激光沉積技術(shù)在鈧酸鏑單晶襯底上外延生長(zhǎng)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(lái)的體相鈦酸鍶材料電卡制冷效率被提高了10倍以上，離實(shí)際應(yīng)用更近一步。



“我們提出的應(yīng)變?cè)鰪?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(wèn)題，但這也對(duì)薄膜生長(zhǎng)工藝提出了更高的要求。”張森表示，研究提出的通過(guò)外延應(yīng)變?cè)鰪?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(lái)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(guò)程中，3位審稿專(zhuān)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(shí)現(xiàn)電卡及其增強(qiáng)效應(yīng)“實(shí)屬罕見(jiàn)”，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(duì)的研究成果離應(yīng)用還有多遠(yuǎn)？張森說(shuō)，目前電卡效應(yīng)在國(guó)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(xiàng)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(shí)際應(yīng)用可能還有比較長(zhǎng)的距離。樂(lè)觀估計(jì)，或許未來(lái)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(jiǎng)獲得者K. Alex Muller稱(chēng)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(lái)看，本研究的價(jià)值更多體現(xiàn)在給物理以及材料科學(xué)帶來(lái)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(wú)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(shí)的提高，傳統(tǒng)的制冷技術(shù)面臨許多挑戰(zhàn)。因此，近年來(lái)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(chǎng)改變材料溫度的特性，實(shí)現(xiàn)無(wú)需壓縮機(jī)和制冷劑即可實(shí)現(xiàn)制冷。



聲波制冷技術(shù)



通過(guò)聲波產(chǎn)生壓縮和膨脹循環(huán)，實(shí)現(xiàn)制冷效果。



圣戈班效應(yīng)制冷技術(shù)



利用材料在磁場(chǎng)作用下出現(xiàn)的溫度差異，實(shí)現(xiàn)制冷效果。



濕度控制制冷技術(shù)



通過(guò)調(diào)節(jié)濕度來(lái)控制空氣中的水分含量，從而實(shí)現(xiàn)制冷效果。



電吸收制冷技術(shù)



利用電場(chǎng)使制冷劑發(fā)生相變，實(shí)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(shí)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(lái)實(shí)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(shí)現(xiàn)制冷效果。



微通道制冷技術(shù)



通過(guò)微通道內(nèi)的流體循環(huán)實(shí)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(shí)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(shì)，將在未來(lái)的清涼世界中扮演重要角色。



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