彈熱制冷技術(shù)是近年來(lái)新興的一種非蒸汽壓縮制冷技術(shù)，它是由應(yīng)力場(chǎng)驅(qū)動(dòng)彈熱材料相變而產(chǎn)生制冷效應(yīng)的固態(tài)制冷技術(shù)，其基本原理在2004年被英國(guó)科學(xué)家提出并已被美國(guó)能源部認(rèn)為最具潛力的新型制冷技術(shù)。
形狀記憶合金被認(rèn)為是良好的彈熱材料，對(duì)材料施加軸向載荷，在應(yīng)力作用下由奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，熵減小并且對(duì)外放熱；去除載荷時(shí)，逆向的相變導(dǎo)致熵增大，從外界吸熱，產(chǎn)生制冷效應(yīng)。但驅(qū)動(dòng)應(yīng)力大（700MPa）、抗疲勞性差都限制了它們的實(shí)際應(yīng)用。
在壓力作用下，彈性熱材料能夠改變溫度，有望推動(dòng)下一代制冷技術(shù)的發(fā)展
除了形狀記憶合金，彈性體材料是我們的另一種選擇，例如天然橡膠（NR），拉伸會(huì)發(fā)熱，縮回會(huì)降低溫度。天然橡膠是柔軟、廉價(jià)和可生物降解的，并可解決了人工冷卻的一些重大工程和可持續(xù)性問(wèn)題。天然橡膠的廣泛應(yīng)用，加上拉伸所需的低機(jī)械力，使其成為未來(lái)大規(guī)模、大功率冷卻設(shè)備的理想候選者。
近日，奧地利林茨大學(xué)M. Kaltenbrunner教授等提出并展示了一種基于彈性體的冷卻系統(tǒng)，相關(guān)成果以《Elastocaloric heat pump with specific cooling power of 20.9Wg-1 exploiting snap-through instability and strain-induced crystallization》為題發(fā)表在Nature Energy期刊上。
研究者們將天然橡膠（NR）的應(yīng)變誘導(dǎo)結(jié)晶和瞬時(shí)不穩(wěn)定性相結(jié)合，使系統(tǒng)的準(zhǔn)絕熱啟動(dòng)速度低于100ms，比傳統(tǒng)裝置快30倍。在橡膠被拉伸的過(guò)程中，隨機(jī)分布的分子鏈排列在一起，從而降低了構(gòu)象數(shù)量，對(duì)于絕熱形變，構(gòu)象熵的減小增加了熱熵，也就是加熱了材料。這個(gè)過(guò)程是可逆的，松弛后恢復(fù)初始狀態(tài)。
較強(qiáng)的拉伸還導(dǎo)致NR分子部分轉(zhuǎn)變?yōu)橛行蚪Y(jié)晶相，并伴隨著潛熱的釋放。這種相變?cè)诤艽蟪潭壬弦彩强赡娴?。在這兩種效應(yīng)中，應(yīng)變誘導(dǎo)結(jié)晶相關(guān)的加熱占主導(dǎo)地位，它產(chǎn)生了比其他方法更高的冷卻功率。
該橡膠基全軟熱泵的比制冷功率為20.9Wg-1，熱流密度為256MWcm-2，性能系數(shù)為4.7，冷熱源之間的單級(jí)溫差為7.9K。由于彈性體固有特性，因此所需的力很小，可以為移動(dòng)應(yīng)用、機(jī)器人技術(shù)與飛機(jī)，甚至與航天器有關(guān)的任務(wù)提供輕巧緊湊的制冷設(shè)置。
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