压卡制冷材料及技术的现状与展望

压卡制冷材料及技术的现状与展望

摘要：压卡制冷材料是一类由压力驱动材料发生固态相变而释放/吸收相变潜热的固体材料。压卡制冷技术是以压卡材料为工质、以压力作为驱动力构建的新兴固态制冷技术。本文从压卡效应基本热力学、压卡材料体系和压卡制冷样机三个方面简单论述该领域的发展现状。近年来压卡材料体系蓬勃发展，涉及金属、无机非金属、有机物、有机-无机杂化材料等。庞压卡效应的发现使有机塑晶材料备受关注，因其大熵变、低驱动压力、成本低廉等优点成为有希望获得应用的一类材料。相比于此，制冷样机的研制则略显滞后。样机设计中需要解决的核心问题是力-热的有效耦合，选择高热导率流体作为传热及传压介质，通过调整流体的压力和流速，同时优化压卡制冷工质的几何构型有望获得*佳力-热有效耦合条件。在单级制冷的基础上，采用主动回热式压卡制冷方式可实现连续制冷。

关键词：固态相变；压卡制冷技术；塑晶材料

发明于 19 世纪末的气体压缩制冷技术构成了人类现代文明的重要基石，成为目前日常生活与工农业生产中重要的制冷方式。该技术普遍使用以氯氟碳化物（CFC）及氢氯氟碳化物（HCFC）为代表的具有高臭氧破坏性（ ozone depletion potential，ODP）的有机气体物质或以碳氟化合物（FC）及氢氟碳化物（HFC）为代表的具有高温室效应（ Global Warming Potential, GWP）的有机气体物质作为制冷工质。
随着《蒙特利尔议定书》及其《基加利修正案》的先后生效，这些制冷剂的使用被严格限制。因此学术界和产业界都在寻求环境友好、高效节能型的制冷方式。按照我国“十四五”规划纲要和“双碳”战略目标的要求，也亟需推动低碳高效制冷原理探索与技术进步。
基于固体材料中外场诱导固态相变构建的固态制冷技术，因整个制冷过程中工质均工作于固态，无碳排放，且理论效率可达卡诺效率的 70%，而备受关注。
根据固体材料自由度和诱发相变外场的不同，固态相变制冷效应（caloric effects）一般可分为：磁性材料中的磁卡效应（magnetocaloric effect, MCE）、铁电材料中的电卡效应（electrocaloric effect, ECE）、铁弹材料中的弹卡效应（elastocaloric effect, eCE）以及压卡效应（barocaloric effect, BCE）。由于在任意原子体系中压力和体积均为普遍的热力学量，因此，与其他三类效应不同，压卡效应没有体系选择性。
不同于传统的轴向应力和等静压，近期发现以扭转方式加载也可获得较好的制冷效应，这被称为扭卡效应（twistocaloric effect）。
笔者认为整个固态相变制冷材料与技术的发展均源于磁卡效应研究，关于磁卡效应研究方面的进展可参考文献[13-16]。

2019 年，中国科学院金属研究所研究人员在一系列塑晶（plastic crystals）材料中发现了庞压卡效应（colossal barocaloric effect），所报道的塑晶材料 C₅H₁₂O₂（缩写：NPG）、C(CH₂OH)₄（缩写：PE）、(CH₃)C(NH₂)(CH₂OH)₂ ( 缩写：AMP) 、(NH₂)C(CH₂OH)₃ (缩写：TRIS)等的等温熵变较传统固态相变制冷材料高出一个数量级。

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