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壓卡制冷材料及技術(shù)的現(xiàn)狀與展望

摘要：壓卡制冷材料是一類由壓力驅(qū)動材料發(fā)生固態(tài)相變而釋放/吸收相變潛熱的固體材料。壓卡制冷技術(shù)是以壓卡材料為工質(zhì)、以壓力作為驅(qū)動力構(gòu)建的新興固態(tài)制冷技術(shù)。本文從壓卡效應(yīng)基本熱力學(xué)、壓卡材料體系和壓卡制冷樣機(jī)三個(gè)方面簡單論述該領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀。近年來壓卡材料體系蓬勃發(fā)展，涉及金屬、無機(jī)非金屬、有機(jī)物、有機(jī)-無機(jī)雜化材料等。龐壓卡效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)使有機(jī)塑晶材料備受關(guān)注，因其大熵變、低驅(qū)動壓力、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)成為有希望獲得應(yīng)用的一類材料。相比于此，制冷樣機(jī)的研制則略顯滯后。樣機(jī)設(shè)計(jì)中需要解決的核心問題是力-熱的有效耦合，選擇高熱導(dǎo)率流體作為傳熱及傳壓介質(zhì)，通過調(diào)整流體的壓力和流速，同時(shí)優(yōu)化壓卡制冷工質(zhì)的幾何構(gòu)型有望獲得*佳力-熱有效耦合條件。在單級制冷的基礎(chǔ)上，采用主動回?zé)崾綁嚎ㄖ评浞绞娇蓪?shí)現(xiàn)連續(xù)制冷。

關(guān)鍵詞：固態(tài)相變；壓卡制冷技術(shù)；塑晶材料

發(fā)明于 19 世紀(jì)末的氣體壓縮制冷技術(shù)構(gòu)成了人類現(xiàn)代文明的重要基石，成為目前日常生活與工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中重要的制冷方式。該技術(shù)普遍使用以氯氟碳化物（CFC）及氫氯氟碳化物（HCFC）為代表的具有高臭氧破壞性（ ozone depletion potential，ODP）的有機(jī)氣體物質(zhì)或以碳氟化合物（FC）及氫氟碳化物（HFC）為代表的具有高溫室效應(yīng)（ Global Warming Potential, GWP）的有機(jī)氣體物質(zhì)作為制冷工質(zhì)。
隨著《蒙特利爾議定書》及其《基加利修正案》的先后生效，這些制冷劑的使用被嚴(yán)格限制。因此學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界都在尋求環(huán)境友好、高效節(jié)能型的制冷方式。按照我國“十四五”規(guī)劃綱要和“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)的要求，也亟需推動低碳高效制冷原理探索與技術(shù)進(jìn)步。
基于固體材料中外場誘導(dǎo)固態(tài)相變構(gòu)建的固態(tài)制冷技術(shù)，因整個(gè)制冷過程中工質(zhì)均工作于固態(tài)，無碳排放，且理論效率可達(dá)卡諾效率的 70%，而備受關(guān)注。
根據(jù)固體材料自由度和誘發(fā)相變外場的不同，固態(tài)相變制冷效應(yīng)（caloric effects）一般可分為：磁性材料中的磁卡效應(yīng)（magnetocaloric effect, MCE）、鐵電材料中的電卡效應(yīng)（electrocaloric effect, ECE）、鐵彈材料中的彈卡效應(yīng)（elastocaloric effect, eCE）以及壓卡效應(yīng)（barocaloric effect, BCE）。由于在任意原子體系中壓力和體積均為普遍的熱力學(xué)量，因此，與其他三類效應(yīng)不同，壓卡效應(yīng)沒有體系選擇性。
不同于傳統(tǒng)的軸向應(yīng)力和等靜壓，近期發(fā)現(xiàn)以扭轉(zhuǎn)方式加載也可獲得較好的制冷效應(yīng)，這被稱為扭卡效應(yīng)（twistocaloric effect）。
筆者認(rèn)為整個(gè)固態(tài)相變制冷材料與技術(shù)的發(fā)展均源于磁卡效應(yīng)研究，關(guān)于磁卡效應(yīng)研究方面的進(jìn)展可參考文獻(xiàn)[13-16]。

2019 年，中國科學(xué)院金屬研究所研究人員在一系列塑晶（plastic crystals）材料中發(fā)現(xiàn)了龐壓卡效應(yīng)（colossal barocaloric effect），所報(bào)道的塑晶材料 C₅H₁₂O₂（縮寫：NPG）、C(CH₂OH)₄（縮寫：PE）、(CH₃)C(NH₂)(CH₂OH)₂ ( 縮寫：AMP) 、(NH₂)C(CH₂OH)₃ (縮寫：TRIS)等的等溫熵變較傳統(tǒng)固態(tài)相變制冷材料高出一個(gè)數(shù)量級。

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