壓卡制冷(leng)材料及(ji)技(ji)術(shu)的(de)現(xian)狀(zhuang)與(yu)展(zhan)望

壓卡制冷(leng)材料及(ji)技(ji)術(shu)的(de)現(xian)狀(zhuang)與(yu)展(zhan)望

摘要：壓卡制冷(leng)材料是壹類由(you)壓力驅動材料發生固態相(xiang)變而釋(shi)放/吸收相(xiang)變潛熱的(de)固(gu)體(ti)材料。壓卡制冷(leng)技術(shu)是以(yi)壓卡材料為工質、以(yi)壓力(li)作為(wei)驅動力構建的(de)新興固(gu)態制冷(leng)技術(shu)。本文(wen)從壓卡效應基(ji)本熱(re)力(li)學、壓卡材料體(ti)系(xi)和壓卡制冷(leng)樣(yang)機三(san)個方(fang)面(mian)簡(jian)單(dan)論(lun)述該(gai)領域的(de)發(fa)展(zhan)現狀。近(jin)年(nian)來壓卡材料體(ti)系(xi)蓬勃發(fa)展(zhan)，涉及(ji)金屬(shu)、無(wu)機(ji)非金屬(shu)、有(you)機(ji)物、有(you)機(ji)-無機(ji)雜(za)化材料等。龐壓(ya)卡效應的(de)發(fa)現(xian)使(shi)有機塑晶(jing)材料備受關註(zhu)，因(yin)其大熵變、低驅動壓力、成(cheng)本(ben)低廉(lian)等(deng)優點(dian)成(cheng)為(wei)有(you)希(xi)望獲得應用(yong)的(de)壹(yi)類(lei)材料。相(xiang)比於此，制冷(leng)樣(yang)機的(de)研(yan)制則略顯滯(zhi)後(hou)。樣(yang)機設(she)計中需要(yao)解決(jue)的(de)核(he)心問題是力-熱的(de)有(you)效(xiao)耦合(he)，選(xuan)擇高熱導率(lv)流體(ti)作(zuo)為傳熱(re)及(ji)傳(chuan)壓(ya)介(jie)質(zhi)，通過調整流(liu)體(ti)的(de)壓(ya)力(li)和流速，同(tong)時(shi)優化壓卡制冷(leng)工質的(de)幾(ji)何(he)構型(xing)有望獲得*佳力-熱有效(xiao)耦合(he)條件(jian)。在(zai)單(dan)級(ji)制冷(leng)的(de)基(ji)礎上(shang)，采用(yong)主(zhu)動回熱式(shi)壓(ya)卡制冷(leng)方(fang)式(shi)可(ke)實(shi)現連續(xu)制冷(leng)。

關鍵詞(ci)：固態相(xiang)變；壓(ya)卡制冷(leng)技術(shu)；塑晶(jing)材料

發明於 19 世紀末(mo)的(de)氣(qi)體(ti)壓(ya)縮制冷(leng)技術(shu)構成(cheng)了(le)人類現代文明的(de)重要基(ji)石(shi)，成(cheng)為(wei)目(mu)前日(ri)常生活(huo)與工農業(ye)生產(chan)中(zhong)重要的(de)制冷(leng)方(fang)式(shi)。該(gai)技(ji)術(shu)普(pu)遍使用(yong)以(yi)氯氟(fu)碳(tan)化物（CFC）及(ji)氫氯氟(fu)碳(tan)化物（HCFC）為(wei)代(dai)表的(de)具(ju)有(you)高(gao)臭氧(yang)破(po)壞性(xing)（ ozone depletion potential，ODP）的(de)有(you)機(ji)氣(qi)體(ti)物質(zhi)或(huo)以(yi)碳(tan)氟(fu)化合(he)物（FC）及(ji)氫氟(fu)碳(tan)化物（HFC）為(wei)代(dai)表的(de)具(ju)有(you)高(gao)溫(wen)室(shi)效應(ying)（ Global Warming Potential, GWP）的(de)有(you)機(ji)氣(qi)體(ti)物質(zhi)作(zuo)為制冷(leng)工質。
隨(sui)著《蒙(meng)特利爾議定(ding)書》及(ji)其《基(ji)加利(li)修正案(an)》的(de)先(xian)後(hou)生效，這些(xie)制冷(leng)劑的(de)使(shi)用(yong)被(bei)嚴(yan)格限制。因此(ci)學術(shu)界和產(chan)業(ye)界都在(zai)尋求(qiu)環(huan)境友好、高(gao)效(xiao)節(jie)能型(xing)的(de)制冷(leng)方(fang)式(shi)。按照(zhao)我(wo)國(guo)“十(shi)四五”規(gui)劃(hua)綱要和“雙(shuang)碳(tan)”戰略目(mu)標(biao)的(de)要(yao)求(qiu)，也(ye)亟需(xu)推(tui)動低碳(tan)高效(xiao)制冷(leng)原理(li)探(tan)索與(yu)技術(shu)進(jin)步。
基(ji)於固體(ti)材料中外場誘(you)導固態相(xiang)變構建的(de)固(gu)態制冷(leng)技術(shu)，因整(zheng)個制冷(leng)過程中工質均(jun)工作於固態，無碳(tan)排(pai)放，且(qie)理(li)論(lun)效率(lv)可達卡諾效率(lv)的(de) 70%，而備受關註(zhu)。
根據固體(ti)材料自由度(du)和誘發(fa)相(xiang)變外(wai)場的(de)不(bu)同，固(gu)態相(xiang)變制冷(leng)效應(ying)（caloric effects）壹(yi)般可分(fen)為：磁性(xing)材料中的(de)磁卡效應（magnetocaloric effect, MCE）、鐵電材料中的(de)電卡效應（electrocaloric effect, ECE）、鐵彈(dan)材料中的(de)彈(dan)卡效應（elastocaloric effect, eCE）以(yi)及(ji)壓(ya)卡效應（barocaloric effect, BCE）。由於在(zai)任意原子(zi)體(ti)系(xi)中壓力(li)和體(ti)積均(jun)為普(pu)遍的(de)熱(re)力(li)學量，因(yin)此，與其他三(san)類效應(ying)不(bu)同，壓(ya)卡效應沒(mei)有體(ti)系(xi)選擇性(xing)。
不(bu)同於傳統(tong)的(de)軸向應(ying)力和等靜(jing)壓，近(jin)期發現以(yi)扭轉(zhuan)方(fang)式(shi)加(jia)載(zai)也(ye)可獲(huo)得(de)較好(hao)的(de)制冷(leng)效應(ying)，這被稱(cheng)為(wei)扭卡效應（twistocaloric effect）。
筆者認為整個固(gu)態相(xiang)變制冷(leng)材料與技術(shu)的(de)發(fa)展(zhan)均(jun)源於磁卡效應研究(jiu)，關於磁卡效應研究(jiu)方(fang)面(mian)的(de)進(jin)展(zhan)可參(can)考(kao)文獻[13-16]。

2019 年(nian)，中(zhong)國(guo)科(ke)學院金屬(shu)研(yan)究(jiu)所研究人員在(zai)壹系列(lie)塑晶(jing)（plastic crystals）材料中發現(xian)了(le)龐(pang)壓卡效應（colossal barocaloric effect），所報(bao)道(dao)的(de)塑(su)晶(jing)材料 C₅H₁₂O₂（縮寫(xie)：NPG）、C(CH₂OH)₄（縮寫(xie)：PE）、(CH₃)C(NH₂)(CH₂OH)₂ ( 縮寫(xie)：AMP) 、(NH₂)C(CH₂OH)₃ (縮寫(xie)：TRIS)等的(de)等(deng)溫(wen)熵變較傳(chuan)統固態相(xiang)變制冷(leng)材料高出(chu)壹(yi)個數量級(ji)。

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