香港科技大学孙庆平教授团队Nature Communications：镍钛丝新型缠绕弯曲驱动方式实现连续且高效的弹卡空气制冷

一、【导读】  

利用形状记忆合金相变热实现制冷效果的弹卡固态制冷技术近年来获得了研究者们的大量关注与发展。其技术以高效、低碳、材料可回收利用等优点，被许多国家能源部评估为最有可能取代现有蒸汽压缩制冷技术的新型制冷技术之一。目前对弹卡固态制冷技术的研究涵盖于制冷材料的研发制备与原型机的集成设计两方面，旨在推动弹卡固态制冷技术在实际制冷场景的应用，如室内空间制冷、微电子冷却和超低温制冷等方面。

二、【成果掠影】

近日，Nature Communications在线刊登了香港科技大学机械与航空航天工程系孙庆平教授团队的研究论文“Continuous and efficient elastocaloric air cooling by coil-bending”。该工作提出了一种新型的丝线缠绕弯曲驱动方式，通过弯曲变形低驱动力与独特螺纹排布等特点，在镍钛形状记忆合金丝上实现了稳定持续的低温冷区。并以此驱动方式制作了紧凑型空气制冷原型机，整台样机尺寸仅有300 × 250 × 200 mm³，并实现了高效且连续地输出冷空气，空气温降高达10.6 ℃，样机能效比（制冷功率和驱动镍钛丝变形的机械功率之比）高达3.7。

 三、【核心创新点】

传统弹卡固态制冷原型机中常以单轴变形（压缩与拉伸）来诱发镍钛形状记忆合金的相变，这种驱动方式存在着大驱动力（比驱动力约为300 N/g）、低效、安全系数低等问题，非常不利于制冷设备的小型化与家用化。本团队以弯曲这种不均匀应变的变形为出发点，提出了丝线缠绕弯曲驱动方式，将诱发镍钛形状记忆合金相变的所需比驱动力降至26 N/g，与先前的原型机相比降低了一个数量级以上。同时，团队通过螺纹排布的传动结构设计，实现了镍钛形状记忆合金丝缠绕端形成热区，未缠绕端形成恒定的冷区（如图1所示）。区别于传统弹卡固态制冷技术中材料存在冷热同源的情况，此驱动技术将冷热源自动分离，减少了额外换热部件的需求，提高了系统的运行频率。通过气泵将外界空气送进恒定冷区，便可实现冷空气连续输出。串联和并联的空气通道分别用于获得出口空气的大温降和高系统能源转换效率比（如图2与3所示）。

 四、【数据概览】

图1  丝线缠绕弯曲驱动原理 ©

图2  串联空气流道与制冷器的制冷表现  ©

图3  并联空气流道与制冷器的制冷表现  ©

五、【成果启示】

综上，通过提出一种新型的丝线缠绕弯曲驱动方式，研究团队实现了高效且连续的空气制冷。这种驱动方式为弹卡固态制冷的研究提供了新的平台，并促进了弹卡固态制冷商业化的进一步发展。同时，本工作也为材料科学领域的相变材料的研究提供了新的应用场景，有望激发研究人员对传统金属或高分子材料产生新的研究动力。

原文详情：

此工作由香港科技大学孙庆平教授课题组完成。孙庆平教授与华鹏教授为本文共同通讯作者，香港科技大学李学师博士为本文第一作者。

Continuous and efficient elastocaloric air cooling by coil-bending

https://doi.org/10.1038/s41467-023-43611-6

作者和团队简介：

香港科技大学孙庆平教授团队：课题组主要研究形状记忆合金材料及其弹卡制冷领域的应用，组内研究方向分为两类：1. 研发先进纳米结构形状记忆合金(SMA)；2. 研发新型基于SMA的固态制冷剂结构和样机。在形状记忆合金的相变力学、热力耦合、加工制备、微结构调控、性能提升以及弹卡制冷样机等方面有长期的积累和大量优秀论文发表。课题组长期招收博士生，组内经费充足，各项先进设备齐全，国际合作交流机会多，欢迎有兴趣的同学电邮联系孙庆平教授。

孙庆平教授，现为香港科技大学机械及航空航天工程系系主任，是国务院“国家特聘专家”,曾主持国家千人计划项目、国家杰青、国家海外杰青项目以及香港政府研究基金项目50余项。发表学术论文300余篇，曾任法国著名大学的客座教授。获国家自然科学奖、教育部自然科学奖、国际科学数据索引(ISI-SCI)颁发的“华人经典引文奖”、欧盟科学院院士等荣誉。主要研究方向为形状记忆合金（SMA)和基于SMA的新型低碳固态制冷技术，在Joule, Nature Nanotechnology, JMPS, Acta Materialia等国际顶刊发表300余篇文章，获得多项NSFC、RGC和深圳香港联合创新项目等经费资助。

李学师，香港科技大学博士后，博士毕业于香港科技大学，研究方向为形状记忆合金的弹卡制冷应用、弹卡制冷驱动、传热系统分析、系统热管理。研究致力于发展高效节能的新型弹卡固态制冷技术，实现低碳制冷和未来可持续的能源发展。其成果发表在Nature Communications，Applied Thermal Engineering等国际知名期刊。

华鹏，现为哈尔滨工业大学（深圳）教授，博士生导师，国家海外优秀青年基

金获得者，博士毕业于香港科技大学。专注于研究用于弹卡制冷的高性能形状记忆合金，致力于建立形状记忆合金的成分-加工工艺-微结构-性能关联，提升合金的疲劳抗性和制冷表现，促进弹卡制冷技术的发展普及。研制了具有过亿次稳定循环相变的晶体非晶复相镍钛合金。成果发表在Acta Materialia，Nature Communications，Nature Nanotechnology等国际知名期刊。