香港科技大学，重磅Nature Energy！

第一作者：周国安

通讯作者：周国安，姚舒懷，孙庆平

通讯单位：香港科技大学

姚舒怀，香港科技大学机械与航空工程系教授。分别于2000年和2005年在清华大学和斯坦福大学获得学士和博士学位，并于2008年加入香港科技大学工作至今，现任香港科技大学机械及航空航天工程系教授及建筑与能源研究中心副主任。主要从事微流控和传热相关研究。近10年，团队在Nature Physics, Nature Communications，Science Advances, Physical Review Letters，ACS Nano, Advanced Functional Materials等期刊发表学术期刊100余篇。

孙庆平，清华大学固体力学博士，1989年8月至1991年11月，在清华大学材料科学与工程博士后科研流动站做博士后，曾任清华大学力学系副教授(1991), 教授(1994)， 1995年赴香港科技大学任教，是国家基金委七五，八五，九五力学与材料重大项目的主要参加者，曾任法国教育部客座教授(1994，1996，1998, 2002, 2005)和IUTAM Symposium国际学术委员会主席，曾主持国家”杰出青年基金”(1998-2000) 及国家基金委，香港研究资助局联合研究基金(2001-03), 现主持多项香港特区政府基础研究基金，曾获国际科学数据索引(ISI-SCI)颁发的经典引文奖(Citation Classic Award)(2000)和国家自然科学奖(1995)等。

论文速览

利用形状记忆合金进行弹性热冷却是很有前途的下一代环保制冷材料。温度提升（T_lift），即冷却设备将热量从低温源转移到高温散热器的能力，是一项关键的性能指标。然而，由于单个弹性热材料表现出超弹性的温度窗口较窄（例如，NiTi形状记忆合金≤50 K），因此，增加现有弹热学装置的温度提升T_lift是困难的。

本研究针对下一代环保制冷技术的需求，开发了一种新型的多材料级联弹热学冷却装置。该装置利用形状记忆合金（SMAs）的弹性热效应进行制冷，具有无温室气体排放、100%可回收和高能效（高达84%卡诺效率）的优点。研究团队构建了由三种不同奥氏体结束温度（Af）的NiTi合金组成的级联装置，将装置的超弹性温度窗口扩展到超过100 K，并在水侧实现了75 K的温度提升（T_lift）。这一成果显示了多材料级联弹性热制冷装置在未来空间制冷领域的巨大潜力。

图文导读

图1：多材料级联弹热质回热器和性能。

图2：NiTi制冷剂的温度相关特性，实验测量的三个NiTi材料的dσstart/dT与理论计算值的对比。

图3：多材料级联压缩式NiTi再生器的组装和操作过程。

图4：单材料、双材料级联和三材料级联再生器的制冷性能。

总结展望

本研究开发了一种新型的多材料级联弹性热制冷装置，该装置在水侧实现了75 K的温度提升，超过了现有弹性热制冷装置50%以上。研究结果表明，通过合理设计和组装具有多个相变温度的多材料级联弹性热再生器，可以有效提高弹性热装置的温度提升和再生因子。

此外，研究还发现，随着活性材料数量的增加，虽然无负载温度提升增大，但零提升制冷功率减小。本研究为开发具有大温差提升的弹性热制冷装置提供了有效的方法，未来工作可能会考虑在冷端级联低转变温度的SMA，以实现亚零度的弹性热制冷。

文献信息

标题：A multi-material cascade elastocaloric cooling device for large temperature lift

期刊：Nature Energy

DOI：10.1038/s41560-024-01537-3

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香港科技大学，重磅Nature Energy！

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