研究背景
傳統(tǒng)蒸汽壓縮制冷技術(shù)中氫氟碳制冷劑的廣泛使用加劇了氣候的惡化。因此，在全球加速邁向綠色可持續(xù)發(fā)展的背景下，開發(fā)綠色、環(huán)保且高效的制冷技術(shù)顯得尤為關(guān)鍵。彈熱制冷技術(shù)是一種極具潛力的新型制冷方式，它通過材料在應(yīng)力作用下發(fā)生結(jié)構(gòu)變化所產(chǎn)生的彈熱效應(yīng)實(shí)現(xiàn)制冷。當(dāng)前對彈熱材料的研究主要聚焦于形狀記憶合金之上。然而形狀記憶合金雖具備顯著的熱效應(yīng)，卻存在驅(qū)動力高、材料脆、壽命短、成本高等缺陷。形狀記憶聚合物則是另一種潛在的彈熱材料，憑借其加工簡單、驅(qū)動應(yīng)力低等優(yōu)勢逐漸受到關(guān)注，但其低導(dǎo)熱性使得熱量難以及時(shí)釋放，制約了性能提升。
研究內(nèi)容
北京科技大學(xué)張虎教授的研究團(tuán)隊(duì)聯(lián)合俄羅斯車?yán)镅刨e斯克國立大學(xué)、蘭州交通大學(xué)、三橋惠(佛山)新材料有限公司將低熔點(diǎn)、高導(dǎo)熱的GaInSn液態(tài)金屬（LM）引入聚氨酯（TPU），獲得了具有高導(dǎo)熱及高彈熱性能的TPU@LM形狀記憶聚合物復(fù)合材料。TPU@LM 的導(dǎo)熱率相比純TPU最大提升了164%，實(shí)現(xiàn)了熱傳導(dǎo)能力的躍升。性能表現(xiàn)方面，TPU@LM在彈熱效制冷應(yīng)用中展現(xiàn)出出色的性能。實(shí)驗(yàn)表明，在僅有約5 MPa的應(yīng)力驅(qū)動下，其最大溫度變化（ΔT）可達(dá)8.7 K，較純 TPU 提高約30%；在卸載階段ΔT同樣顯著增強(qiáng)，提升幅度為22%。同時(shí)，TPU@LM的比溫度變化（ΔT/σ）高達(dá)1.39 K·MPa-1，是形狀記憶合金平均值的35倍，充分展示出其在低應(yīng)力驅(qū)動下的熱效應(yīng)優(yōu)勢。
該研究為形狀記憶聚合物類材料性能的優(yōu)化提供了全新路徑。TPU@LM復(fù)合材料在導(dǎo)熱性、彈熱效應(yīng)等方面表現(xiàn)突出，展現(xiàn)出其在固態(tài)彈熱制冷領(lǐng)域的巨大應(yīng)用潛力，有望為推動可持續(xù)發(fā)展提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。
相關(guān)研究工作以“High-Performance Elastocaloric Refrigeration via Liquid Metal-Enhanced Polyurethane”為題發(fā)表在Advanced Functional Materials上。
圖1 TPU@LM復(fù)合材料的制備及微觀結(jié)構(gòu)。
圖2 純TPU與TPU@LM的熱性能比較。
圖3 純TPU與TPU@LM的彈熱性能對比。
圖4 純TPU與TPU@LM的彈熱性能循環(huán)性能對比。
圖5 純TPU與TPU@LM的不同頻率下的彈熱性能對比和TPU@LM與形狀記憶合金的比溫度變化（ΔT/σ）對比。
