12月1日,上海交通大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院前瞻交叉研究中心錢小石教授課題組在Science上發(fā)表“Colossal electrocaloric effect in an interface-augmented ferroelectric polymer”的論文,開發(fā)了一種高分子拓?fù)浣缑嫱庋蛹夹g(shù),通過小分子晶體犧牲層誘導(dǎo)高分子極化界面的廣泛形成,使得鐵電聚合物在外界電場作用下展現(xiàn)出巨大熵變,在傳統(tǒng)的偏氟乙烯基弛豫鐵電高分子中實(shí)現(xiàn)了龐電卡效應(yīng),并揭示了拓?fù)渫庋拥臉O化界面在外加電場調(diào)控下的熵變機(jī)理。錢小石教授為本文唯一通訊作者,博士生鄭珊瑜為論文第一作者。這是錢小石課題組本年度第二次以第一作者單位在Science上發(fā)表論文。
巨電卡效應(yīng)是一種奇特的凝聚態(tài)物理現(xiàn)象,利用固體電介質(zhì)充放電過程中交替極化-退極化產(chǎn)生可逆的電致溫變所組成的制冷循環(huán)。電卡制冷系統(tǒng)具有電能損耗小,能效高,具有零溫室效應(yīng)潛能和易于小型化、輕量化等特點(diǎn),為制冷劑的替代和雙碳目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供重要的顛覆性前瞻技術(shù)之一。通過降低弛豫體極性疇尺寸策略,可降低兩個極性熵態(tài)間偶極翻轉(zhuǎn)能壘,從而增加電場誘導(dǎo)的偶極熵變。目前所報道的晶疇尺寸都在100-20納米,但由于弛豫鐵電體復(fù)雜的結(jié)晶過程,進(jìn)一步將晶疇尺寸減小到亞納米尺度極具挑戰(zhàn)。
DMHD分子誘導(dǎo)聚合物界面增強(qiáng)效應(yīng)表現(xiàn)出巨電卡性能
界面增強(qiáng)極性和非極性構(gòu)像的IR-PiFM表征
界面增強(qiáng)聚合物和普通聚合物的結(jié)構(gòu)分析
改性聚合物的介電行為和循環(huán)性能
采用Landau-Ginzburg-Devonshire熱力學(xué)模型,并輔以相場模擬來模擬實(shí)驗(yàn)測試的ECE,以提供定量的理解。通過對介電性能分析,極化強(qiáng)度和介電常數(shù)的提升證實(shí)了界面增強(qiáng)型電卡效應(yīng)材料的存在。同時介電擊穿電場也提高了近150%,有利于電卡制冷實(shí)際循環(huán)運(yùn)行。作為犧牲劑的DMHD創(chuàng)造的極性構(gòu)像提高了材料整體的介電性能,沒有像永久性復(fù)合填料那樣帶來各種不利并發(fā)癥。改性后的納米孔極性界面暴露在不受物理約束的自由體積中,這顯著提高了TPD樣品的單位極化對熵的貢獻(xiàn)能力。
TPD巨電卡效應(yīng)在室溫附近具有良好的溫度穩(wěn)定性,可以覆蓋10℃到70℃的有效溫度窗口,因此可以得到最大的RC制冷能力。TPD的制冷效率COPmat和普通聚合物相比提高了250%,這可進(jìn)一步減小電源的尺寸和重量,為潛在的便攜式電卡冷卻裝置提供動力。TPD樣品在最長300萬次的循環(huán)壽命(> 70天)內(nèi)表現(xiàn)出優(yōu)越的電卡誘導(dǎo)熵變化,使其成為實(shí)用電卡器件的良好候選者。
這是我國科研單位首次以第一作者單位在Science上發(fā)表以電卡制冷為主題的研究論文。論文研究工作獲得多個團(tuán)隊(duì)支持,其中澳大利亞核科學(xué)與技術(shù)平臺的準(zhǔn)彈性中子散射實(shí)驗(yàn)由上海交通大學(xué)物理學(xué)院、自然科學(xué)研究院教授洪亮團(tuán)隊(duì)完成;機(jī)動學(xué)院陳江平教授,北京理工大學(xué)黃厚兵團(tuán)隊(duì)和南京大學(xué)楊玉榮團(tuán)隊(duì)為本研究提供了重要支撐。此外, Molecular Vista公司和布魯克(北京)科技有限公司也參與了關(guān)于納米紅外的研究工作。
原文鏈接:https://www.science.org/doi/10.1126/science.adi7812
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