这位老师在固态相变制冷上的进展 发在了Nature Reviews Materials

制冷技术在全球能源消耗和温室气体排放中占相当高的比例，基于蒸汽压缩的空间冷却和制冷消耗了约20%的发电量，一些常用制冷剂的引起温室效应能力比CO₂高出千倍。减少温室气体排放的呼吁和对更高能源效率的要求继续推动冷却和制冷技术的研究。固态制冷技术（包含磁热制冷、机械热制冷和电热制冷及其他）近年来引起关注。固态相变制冷技术是基于固体材料内在序参量在外场源下的可逆改变引起材料的吸/放热效应，经热力学循环实现制冷，具有绿色环保、节能高效、低噪稳定等诸多优点，不仅具有巨大的市场经济价值与社会环保意义，而且在航空航天、空间探测等领域也具有重要应用前景。

2022年3月29日，Nature Reviews Materials以题为“Materials, physics and systems for multicaloric cooling”在线刊发了北京航空航天大学侯慧龙副教授（一作兼通讯）、美国马里兰大学的Ichiro Takeuchi教授（通讯作者）在固态相变制冷领域取得的新进展。此工作在梳理和归纳了单场以及多场转换与调控固态相变制冷技术的基础上，从材料、物理、系统三个层次进行了原创性的研究工作，实现了场致熵变的联合增效，建立了相变制冷材料的延寿准则，完善了多场功-能转换器件的评价体系。该工作不仅是对单场致效应的归纳与补充，而且丰富和拓宽了多场作用下制冷材料与器件的种类及概念范畴。

强烈反响

这篇论文上线不到3天，全文访问数量高达554次，其Altmetric指数为3，这篇文章在所有期刊上追踪的174385篇相同发表时间的文章中位于第59百分位数（第68713位），在《Nature Reviews Materials》上追踪的10篇相同发表时间的文章中位于第1百分位数（第10位），可见这项成果在学界重大影响力。值得一提的是，《Nature Reviews Materials》最新影响因子高达66.308，在全球物质类研究期刊（材料、化学、物理、工程、机械等）中排名第一，这也是北航建校以来发表在该期刊上的第二篇成果。

以单场致效应材料研究为基石的多场转换与调控制冷技术

（a-b）在打开/关闭磁场时，磁矩在有序和无序状态之间切换示意图，这在顺磁-铁磁转换时的磁化强度（M）与外加磁场（H）的关系得以体现。

（c-d）在打开/关闭电场时，电偶极态在有序和无序之间变化，这在顺电-铁电转变时的极化（P）与外加电场（E）关系中体现。

（e-f）随着应力的施加和释放，晶体结构在高对称性和孪晶结构之间转变，这可以在奥氏体-马氏体转变处的施加应力（σ）与应变（ε）曲线中体现。

（g-h）当施加/移除压力时，晶胞体积发生相应变化，伴随晶格参数的变化，如压力诱导的立方-正交转变下体积（V）与施加压力（p）曲线所示。

（i）一级相变的克劳修斯-克拉珀龙关系。

据侯慧龙老师介绍：“多场转换与调控制冷技术，文献中也称多卡制冷技术，其主要特点是以弹热、磁热、电热等单场致效应为基础，利用弹热效应所对应的结构相变通常伴随着磁热效应的磁相变和电热效应的电偶极子相变，形成磁场、力场、电场等多场作用下磁熵、晶格熵和极化熵的多场转换机理和调控。目前，多卡效应研究才刚刚起步，处于萌芽阶段。该新兴方向的发展迫切需要多卡效应材料与器件的综合体系和设计准则。”

设计策略

（a）根据材料类型（单相材料或复合相材料）以及外场个数（单个或多个），固态相变制冷类型的分类。

（b-c）针对单相材料和复合相材料的磁热、电热和力热效应，细分单场致效应和多场致效应之间的关系。

（d）多场响应材料与器件的分类设计。

对于提出力磁电多场响应材料与驱动场的协同设计策略，侯老师介绍是当初综合分析了力磁电多场响应材料的内禀序参量，以及共轭外场的物理过程，发现磁化强度、电极化强度、机械强度等内禀序参量与对应的力场、电场、磁场等共轭外场在相变过程、物理描述和宏观行为上存在共通性，然后发展了一级相转变材料在零场和非零场的相图和熵变公式。

所提出的多场响应材料与驱动场协同设计策略，完善了材料类型（单相、复合相）与共轭外场对于熵变符号的多场调控机制，动态调控场致熵变（磁熵、晶格熵和极化熵），实现了多场致熵变的联合增效。

性能指数评估

从材料制冷性能系数出发，揭示了驱动损失、传热损失、循环损失、寄生损失四类损失对于器件制冷性能系数逐级削减的影响规律，提出在器件设计中多场材料与器件的性能评价体系。

侯老师认为评价体系的意义在于，能够从材料制冷性能系数出发，综合评估驱动损失、传热损失、循环损失、寄生损失四类损失对于器件制冷性能系数逐级削减的影响程序，完善在器件设计中，多场材料与器件的性能评价。在实际应用中，纵观材料学领域关注材料性能与机械制冷工程领域关注器件性能这两个端点，该评价体系的主要优势在于搭建了连接这两个端点的评价体系。

前景展望

作者深入系统地梳理和归纳了弹热、磁热、电热、压热等单场致效应，以及力电磁多场转换与调控的发展过程与研究现状。在此基础上，通过分析力、磁、电等多场响应材料的内在序参量，以及共轭外场的物理过程，发现磁化强度、电极化强度、机械强度等内在序参量与对应的磁场、电场、力场等共轭外场在相变过程、物理描述和宏观行为上存在共通性，发展了一级相变材料在零场和非零场条件下的通用相图和熵变公式。通过综合分析一级相变制冷材料中减小相变滞后的策略与机理，发现在功-能转换过程中滞后损耗所带来的损耗功，主要通过其在输入功的占比，以及改变用于逆向转变的弹性能来影响材料的功能寿命。基于实验结果，提出损耗功在输入功占比小于10%是一级相变制冷材料达到百万次循环以上功能寿命的延寿准则，建立了一级和二级相变所对应的功能寿命预测公式，完善了在器件设计中，多场材料与器件的性能评价体系。

在提出不到10年的时间里，多热冷却已经成为固态冷却领域极具前途的研究方向，除了为现有技术提供更绿色的替代品外，还具有高能量转换效率的潜力。多热冷却在制造具有定制性能的廉价材料方面的进步，以及在紧凑、高性能冷却系统的系统设计方面的创新，有望降低成本。

团队介绍

侯慧龙，北京航空航天大学航空科学与工程学院副教授，2015年毕业于美国宾夕法尼亚州立大学，获博士学位；2016-2019年在美国马里兰大学从事博士后研究工作；2017-2018担任美国国家标准和技术研究所客座研究员。曾获2020中国十大新锐科技人物。代表性研究成果发表在Science、Nature Communications等国际期刊上。担任国际相变制冷会议科学委员会委员、北京新曦颠覆性技术创新基金会技术专家等。

文献链接：Materials, physics and systems for multicaloric cooling ( Nat. Rev. Mater. 2022, DOI: 10.1038/s41578-022-00428-x)

本文由大兵哥供稿。

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