壓卡制冷材料及技術的現狀與展望

壓卡制冷材料及技術的現狀與展望

摘要：壓卡制冷材料是一類由壓力驅動材料發生固態相變而釋放/吸收相變潛熱的固體材料。壓卡制冷技術是以壓卡材料為工質、以壓力作為驅動力構建的新興固態制冷技術。本文從壓卡效應基本熱力學、壓卡材料體系和壓卡制冷樣機三個方面簡單論述該領域的發展現狀。近年來壓卡材料體系蓬勃發展，涉及金屬、無機非金屬、有機物、有機-無機雜化材料等。龐壓卡效應的發現使有機塑晶材料備受關注，因其大熵變、低驅動壓力、成本低廉等優點成為有希望獲得應用的一類材料。相比于此，制冷樣機的研制則略顯滯后。樣機設計中需要解決的核心問題是力-熱的有效耦合，選擇高熱導率流體作為傳熱及傳壓介質，通過調整流體的壓力和流速，同時優化壓卡制冷工質的幾何構型有望獲得*佳力-熱有效耦合條件。在單級制冷的基礎上，采用主動回熱式壓卡制冷方式可實現連續制冷。

關鍵詞：固態相變；壓卡制冷技術；塑晶材料

發明于 19 世紀末的氣體壓縮制冷技術構成了人類現代文明的重要基石，成為目前日常生活與工農業生產中重要的制冷方式。該技術普遍使用以氯氟碳化物（CFC）及氫氯氟碳化物（HCFC）為代表的具有高臭氧破壞性（ ozone depletion potential，ODP）的有機氣體物質或以碳氟化合物（FC）及氫氟碳化物（HFC）為代表的具有高溫室效應（ Global Warming Potential, GWP）的有機氣體物質作為制冷工質。
隨著《蒙特利爾議定書》及其《基加利修正案》的先后生效，這些制冷劑的使用被嚴格限制。因此學術界和產業界都在尋求環境友好、高效節能型的制冷方式。按照我國“十四五”規劃綱要和“雙碳”戰略目標的要求，也亟需推動低碳高效制冷原理探索與技術進步。
基于固體材料中外場誘導固態相變構建的固態制冷技術，因整個制冷過程中工質均工作于固態，無碳排放，且理論效率可達卡諾效率的 70%，而備受關注。
根據固體材料自由度和誘發相變外場的不同，固態相變制冷效應（caloric effects）一般可分為：磁性材料中的磁卡效應（magnetocaloric effect, MCE）、鐵電材料中的電卡效應（electrocaloric effect, ECE）、鐵彈材料中的彈卡效應（elastocaloric effect, eCE）以及壓卡效應（barocaloric effect, BCE）。由于在任意原子體系中壓力和體積均為普遍的熱力學量，因此，與其他三類效應不同，壓卡效應沒有體系選擇性。
不同于傳統的軸向應力和等靜壓，近期發現以扭轉方式加載也可獲得較好的制冷效應，這被稱為扭卡效應（twistocaloric effect）。
筆者認為整個固態相變制冷材料與技術的發展均源于磁卡效應研究，關于磁卡效應研究方面的進展可參考文獻[13-16]。

2019 年，中國科學院金屬研究所研究人員在一系列塑晶（plastic crystals）材料中發現了龐壓卡效應（colossal barocaloric effect），所報道的塑晶材料 C₅H₁₂O₂（縮寫：NPG）、C(CH₂OH)₄（縮寫：PE）、(CH₃)C(NH₂)(CH₂OH)₂ ( 縮寫：AMP) 、(NH₂)C(CH₂OH)₃ (縮寫：TRIS)等的等溫熵變較傳統固態相變制冷材料高出一個數量級。

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