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5月8日，上海交通大學機械與動力工程學院前瞻交叉研究中心錢小石教授課題組在Nature上發表“Self-oscillating polymeric refrigerator with high energy efficiency”的論文。研究人員結合弛豫鐵電高分子材料在電場作用下的電致熵變（電卡效應）和電致伸縮效應，設計與制造了“自驅動”的高分子制冷薄膜系統。該系統無需外加驅動裝置，而是優化了高分子制冷工質本身的機電耦合效率，設計了電-機械形變與電卡制冷效應協同驅動的方法，實現了輕量化、高能效比、高精度和智能化的制冷效果。錢小石教授為論文通訊作者，博士研究生韓東霖和碩士研究生張楹婧為共同第一作者。

巨電卡效應的電卡制冷技術因具有全固態、高能效、零溫室效應潛能（GWP）及易于小型化、輕量化等理論優勢，被國際能源署譽為制冷技術領域的顛覆性前瞻技術之一。在電卡制冷系統中，固態電卡材料（制冷工質）在電場的加載與卸載下實現間歇性的吸熱與放熱效果，并配合工質在空間位置的移動，實現與熱源和熱沉的交替接觸，從而完成制冷循環。目前，絕大多數已報道的電卡制冷系統都依賴外置驅動設備（如機械泵、活塞、電機等），實現制冷工質的機械循環運動。這些設備往往需要分立的電源，體積、重量遠大于實際系統中的電卡制冷工質。類似的設備一旦部署，如何體現電卡制冷技術在小型化、輕量化方面的優勢始終是領域內的一項重要挑戰。

此前，錢小石教授課題組在2021年發表的Nature論文中已證實，通過高分子鏈內分子修飾的手段，可以大幅提升弛豫鐵電高分子材料在低電場下的熵變性能。這類材料被稱為雙鍵調控高分子（Double-bond Modified Polymer，DMP）。本文中，研究人員通過進一步優化各項單體比例，使得目標高分子兼具高“電致熵變”與高“電致伸縮應變”的性能。在66.7 MV/m的電場下，DMP表現出9 K的絕熱溫變和1.9%的面內應變。得益于顯著提升的機-電-熱耦合性能，DMP薄膜無需額外的機械驅動力輸入，在電場作用下同步產生足夠大的空間位移和冷熱變化，僅憑自身本征物理效應即組成了完整的熱力學循環。

圖1 自驅動柔性制冷系統的運行機理

研究人員根據系統的運行邏輯針對性地搭建了系統溫跨測試平臺，并分別在熱泵工況和制冷工況下對系統拉開溫跨的能力進行了測試。在66.7 MV/m的電場和0.5 Hz的運行頻率下，系統在兩種工況下均能拉開近似于4 K的溫跨，這表明系統的能量損耗相對較低。借助于界面熱阻測量標定實驗與有限元仿真計算，研究人員對系統溫跨測試結果進行了深入分析。仿真計算結果表明，系統運行過程中的界面接觸熱阻和對流換熱損耗是限制系統制冷性能的主要因素。

圖2 自驅動柔性制冷系統拉開溫跨能力的測試

如何準確地測試電卡制冷系統的性能，是該領域研究的另一項重點。前期報道的電卡制冷系統主要通過系統溫跨描述性能，然而不同系統能夠實現的系統溫跨標準不一。本次工作中，研究人員首次將傳統制冷系統測試技術引入電卡制冷系統性能測試中，搭建了適用于薄膜電卡制冷系統的焓差臺，并分別獨立地嚴格控制熱源和熱沉的溫度。研究人員測試了在不同熱源熱沉溫差條件下，即在不同工作溫跨下電卡制冷系統能輸出的制冷量，得到了系統在不同溫跨條件下的額外對外制冷量與COP，而非系統在最大溫跨下與熱損耗相平衡時的制冷量與COP。

在零溫跨下，該系統可以輸出6.5 W/g的比制冷功率，瞬時制冷量與耗電量比值高達58（在電荷回收效率為80%的條件下）。在4 K的系統溫跨下，該系統可以輸出2.7 W/g的比制冷功率，對應的COP為24，實現了約32%的熱力學完善度，這是迄今為止在電卡制冷系統研究中所報道的最高的熱力學完善度。值得注意的是，系統的COP與所處溫跨和能量回收效率息息相關，若提升電荷回收效率至99.7%以上，系統在零溫跨下實現的COP將達到210左右。此外，由于無需外加驅動部件，本研究中搭建的薄膜制冷系統空間利用率高，其單位空間上的比制冷功率相比于領域內已報道的電卡制冷系統提升了近百倍。

圖3 自驅動柔性制冷系統的制冷功率和能效比。

該系統能為狹小空間內的芯片提供被動散熱額外的制冷能力，迅速降低芯片表面溫度。相比于空氣自然對流冷卻，該系統能為芯片在50 s內提供額外17.5 K的溫降。研究人員利用鐵電高分子的介電溫譜，實現了被冷卻目標溫度的定點實時監測，并設計了系統制冷工作自動啟停的反饋運行邏輯。研究人員還對該系統進行了超過七萬次的循環穩定性測試，驗證了系統的穩定性。由此，憑借其輕質、體積小、能耗低和柔性等諸多優勢，基于電致伸縮效應與電卡效應協同的自驅動電卡制冷系統可以實現輕量化、柔性、高能效和智能化的主動制冷。

圖4 系統的應用實例

兩年多來，該團隊陸續在固態相變機理、材料理化性質、器件設計與制造方面取得突破，相關工作已發表6篇Nature、Science論文，其中以第一或通訊作者發表4篇。本文揭示了基于鐵電高分子的自驅動電卡制冷系統的設計機理，創新了電卡制冷系統的嚴格測試方法，對電卡制冷系統在各種工況下的制冷能力進行了細致和完善的表征與分析，驗證了電卡制冷技術輕量化、高能效的理論優勢，為未來更深入細致的學科交叉基礎研究與工程應用探索提供了理論基礎。錢小石教授團隊已獲得相關發明專利授權。研究工作得到了機械與動力工程學院陳江平教授和電子信息與電氣工程學院劉鋼教授等的支持，所有研究工作均由上海交通大學的研究人員完成。研究工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、上海市自然科學基金、上海交通大學機械系統與振動國家重點實驗室、上海交通大學“深藍計劃”項目、重點前瞻布局基金、“交大2030”項目的支持。研究工作還得到了上海交通大學學生創新中心、上海交通大學分析測試中心以及轉化醫學國家重大科技基礎設施（上海）的支持。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07375-3