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  2019年1月7日，Advanced Materials雜志在線刊發(fā)了華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院姜勝林教授、張光祖副教授團(tuán)隊(duì)關(guān)于高性能電卡制冷研究的最新成果“Nanoconfinement-Induced Giant Electrocaloric Effect in Ferroelectric Polymer Nanowire Array Integrated with Aluminum Oxide Membrane to Exhibit Record Cooling Power Density”。該研究為新一代制冷用電卡材料與器件的研究、設(shè)計(jì)與制備提供了全新思路，對推動電卡制冷走向?qū)嶋H應(yīng)用具有重要意義。張光祖副教授為論文第一作者，姜勝林教授和Qing Wang教授為論文共同通訊作者。

  制冷技術(shù)的應(yīng)用覆蓋了國家安全、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生物醫(yī)療、科學(xué)研究和日常生活等各領(lǐng)域。目前制冷仍幾乎完全依賴壓縮機(jī)技術(shù)，但壓縮機(jī)制冷無法擺脫制冷劑的使用，對全球環(huán)境和氣候影響顯著。此外，壓縮機(jī)制冷效率低，每年消耗超過6%的全球總電能，間接排放CO2約52億噸，進(jìn)一步危害環(huán)境。再者，壓縮機(jī)體積大、重量重，無法用于集成電路芯片的局域制冷。因此，開發(fā)體積小、重量輕的新型高效環(huán)保制冷技術(shù)迫在眉睫。電卡效應(yīng)通過電場來誘導(dǎo)鐵電體的相變和偶極熵變、控制材料的吸/放熱過程，可實(shí)現(xiàn)熱搬運(yùn)和制冷。電卡制冷無需危害環(huán)境的制冷劑，效率更是壓縮機(jī)制冷的3-5倍，且具有體積小和重量輕的特點(diǎn)。電卡效應(yīng)將為制冷技術(shù)的發(fā)展帶來革命性突破。

  電卡制冷走向?qū)嵱玫年P(guān)鍵在于高性能電卡材料的制備。鐵電聚合物是實(shí)現(xiàn)高性能電卡制冷最具潛力的材料之一，但是其強(qiáng)電卡效應(yīng)需要較高的電場來激發(fā)。另外，聚合物熱導(dǎo)率低，這嚴(yán)重制約了電卡材料與制冷器的快速傳熱，限制了其實(shí)際制冷效果。

圖1 (a)鐵電聚合物納米線陣列—多孔氧化鋁模板混合型電卡材料示意圖；(b-i) 混合型電卡材料的微觀結(jié)構(gòu)圖

  針對這個(gè)問題，華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院姜勝林教授、張光祖副教授團(tuán)隊(duì)、賓夕法尼亞州立大學(xué)Qing Wang教授課題組、Sulin Zhang教授課題組和華中科技大學(xué)能源與動力工程學(xué)院楊諾教授團(tuán)隊(duì)展開合作，提出了全新的基于鐵電聚合物納米線陣列—多孔氧化鋁模板的混合型電卡材料（圖1）。通過多孔氧化鋁管壁的納米應(yīng)力限制效應(yīng)，鐵電聚合物的結(jié)晶度得到提高，與此同時(shí)，其極性分子鏈被有序排列（圖2），該納米效應(yīng)使鐵電聚合物在低場下的電卡強(qiáng)度得到大幅提升，電卡效應(yīng)超過常規(guī)薄膜材料3倍。這大幅降低的電卡材料與制冷器使用所需的電場，極為有利于實(shí)際應(yīng)用。

圖2 納米應(yīng)力限制效應(yīng)對電卡聚合物分子鏈進(jìn)行取向的原理圖

  更有意思的是，氧化鋁的熱導(dǎo)率高，是鐵電聚合物的30倍。如圖3，氧化鋁管壁同時(shí)為聚合物納米線陣列構(gòu)筑了傳熱“高速公路”，使電卡效應(yīng)產(chǎn)生的制冷量能在較短的時(shí)間有效的傳遞給熱負(fù)載。研究證明團(tuán)隊(duì)提出的混合型電卡材料與制冷器可獲得迄今最高的制冷功率密度。

圖3 (a)混合型電卡材料與傳統(tǒng)電卡薄膜的傳熱效果對比圖；(b) 混合型電卡材料與傳統(tǒng)電卡薄膜的制冷量傳輸結(jié)果對比；(c)混合型電卡材料與傳統(tǒng)電卡薄膜的制冷功率密度對比

  該研究得到國家自然科學(xué)基金（51772108, 61675076, 61705070）等項(xiàng)目的支持。

  論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/adma.201806642