目前全球十多億臺制冷設備基本還在應用蒸汽壓縮制冷，但制冷效率低。蒸汽壓縮已經(jīng)接近熱力學極限，很難再有提升的空間。而現(xiàn)如今，制冷占家庭用電量的20%，氣體壓縮制冷技術存在制冷劑泄漏的風險，加劇全球變暖。彈熱制冷材料溫度變化大，能效高，曾被美國能源部評價為最有希望替代蒸汽壓縮制冷的固態(tài)制冷技術。其主流驅動方式以拉伸驅動、壓縮驅動、彎曲驅動等為主，然而，此類方案難以較為全面地兼顧高彈熱溫度、低驅動力和滯后、高相變均勻性和較高疲勞耐久。如何能夠兼顧各方面性能優(yōu)勢，實現(xiàn)較理想的彈熱制冷設計，是此領域目前面對的問題。
在近日的科學研究中，南開大學劉遵峰和中國藥科大學周湘研究團隊在彈性熱制冷技術領域取得了顯著進展。本研究提出了一種基于纖維捻曲的彈熱制冷設備，這種設備基于鎳鈦合金纖維加捻形變而設計，產(chǎn)生了一種周期性的、剛柔相間的非線性應力分布結構。這種結構使鎳鈦合金纖維在加捻時能夠同時保持高絕熱溫度變化，低滯后，低驅動應力、高的相變均勻性和高疲勞壽命。利用加捻形變設計的彈熱制冷設備，獲得了最大25.6 K的溫度跨度，最大1850 W? Kg-1的比制冷功率，最大19.5的器件COP，以及最大5.0 W的設備制冷功率。
圖1(a) 加捻和解捻作用下，單根（左）和多根（右）NiTi線材的彈熱循環(huán)的示意圖。步進電機夾持NiTi線材或線材束的一端并旋轉以誘導加捻，將奧氏體轉變?yōu)轳R氏體并伴隨有熱量的產(chǎn)生。反向旋轉則解開纖維，使馬氏體恢復為奧氏體，并從環(huán)境中吸熱。(b) 平均絕熱溫度變化在不同根數(shù)NiTi線材下的加捻密度的函數(shù)（實線），以及單根NiTi線材不同拉伸應變的函數(shù)。(c) 由拉伸和加捻循環(huán)產(chǎn)生的NiTi線材的滯回環(huán)比較。(d) 通過加捻NiTi線材獲得的材料能效比(COP)和負絕熱溫度變化與其他文獻報道的NiTi形狀記憶合金(SMAs)的彈熱制冷策略的比較。
圖2(a)在不同根數(shù)NiTi線材的加捻循環(huán)中及拉伸循環(huán)中，在不同平均負絕熱溫度變化中的滯后功。(b) NiTi線材在加捻非線性應力下的彈熱制冷和單一NiTi線材在拉伸彈熱制冷中在不同絕對溫度下的材料COP。虛線表示COPCarnot曲線。環(huán)境溫度為296.5 K。(c) 在NiTi線材的加捻和解捻過程中奧氏體相分數(shù)隨加捻密度變化。(d) 在拉伸和加捻過程中加熱單根NiTi線材時表面溫度沿線材長度的溫度分布圖。 (e) 加捻1根和3根NiTi線材的熱像圖和有限元模擬應力分布圖。線材長度為45mm。
圖3(a) 1-根NiTi線材在不同負絕熱溫度變化下加捻/解捻（上）與拉伸/松弛（下）循環(huán)壽命（柱狀圖）的比較。(b) 200個加捻/解捻或拉伸/松弛循環(huán)期間的扭矩-加捻密度曲線（上部）和應力-應變曲線（下部）。(c) 循環(huán)次數(shù)對殘余加捻百分比（右）和殘余應變百分比（左）的關系。 (d) 在0.05 turns/mm加捻5415次（上部）和7%應變拉伸1087次（下部）的疲勞斷裂表面。(e) 在加捻/解捻（上部）和拉伸/松弛（下部）循環(huán)期間奧氏體（110）峰的半高寬（HWHM）的變化。(f) 不同彈熱制冷加載方法（拉伸、壓縮和加捻）的彈熱制冷性能（溫度跨度、滯后、驅動應力、耐久性和材料COP）的比較。
圖4(a) 加捻非線性應力驅動的彈熱制冷設備的運行循環(huán)示意圖。(1) 在NiTi線材中加捻產(chǎn)生熱量，加熱介質流經(jīng)NiTi線材；(2) 加熱介質流經(jīng)散熱器將熱量釋放到環(huán)境中；(3) NiTi線材解捻，制冷介質流經(jīng)NiTi線材進行制冷；(4) 制冷介質流經(jīng)熱源，完成一個加熱/制冷循環(huán)。(b) 加捻非線性應力驅動的彈熱制冷裝置照片（左圖）、制冷組件的實物照片（中圖）和加捻線材在管中的示意圖（右圖）。(c) NiTi線材制冷組件的加熱和制冷工作循環(huán)的紅外圖像。 (d) 在NiTi線材通過加捻非線性應力循環(huán)彈性加熱和制冷過程中，出口水溫度隨時間的變化。(e) 對不同長度的NiTi線材引入的加捻密度變化，以0.2- Hz的循環(huán)頻率，出口水平均溫差的變化。(f) 本研究中獲得的每牛頓驅動力的平均溫差和制冷功率與文獻中報道的不同類型彈熱制冷設備的比較。
圖5(a) 彈熱制冷裝置通過加捻非線性應力的運行循環(huán)示意圖。1) 在NiTi線材中插入加捻產(chǎn)生熱量，加熱介質流經(jīng)NiTi線材；2) 加熱介質流經(jīng)散熱器將熱量釋放到環(huán)境中；3) NiTi線材解捻，制冷介質流經(jīng)NiTi線材進行制冷；4) 制冷介質流經(jīng)熱源，完成一個加熱/制冷循環(huán)。(b) 通過加捻非線性應力的彈熱制冷裝置的照片（左圖）以及熱源組件的照片（中圖）和示意圖（右圖）。(c) NiTi線材制冷組件的加熱和制冷工作循環(huán)的紅外圖像。(d) 在通過加捻非線性應力循環(huán)彈性加熱和制冷NiTi線材過程中，散熱器（紅色）和熱源（藍色）的出水溫度隨裝置運行時間的變化。制冷循環(huán)期間的出水溫度（灰色）也顯示出來。加捻密度為0.06 turns/mm，使用了280 mm長的再生器。(e) 在兩個串聯(lián)的280 mm長再生器制冷系統(tǒng)中，加捻密度對出水水平均溫差和產(chǎn)生的能量的影響；循環(huán)頻率為0.1 Hz。插圖顯示了在0.07 turns/mm時，冷熱兩側的溫度曲線，平均溫差為25.6 K。(f) 本研究中通過加捻非線性應力的制冷裝置的設備COP和制冷裝置的溫差與文獻報道的彈熱制冷、磁制冷和電制冷熱泵的比較。（比例尺：20 mm）
原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202407009
南開劉遵峰教授課題組誠招2025年博士后、特聘副研究員- 材料、化學、高分子、紡織與纖維、生物學、金屬、計算模擬
招聘內(nèi)容
1. 博士、博士后、特聘副研究員
2.學科方向: 材料學、化學、高分子、紡織與纖維、生物學、金屬、計算模擬等學科。
實驗室研究方向
1.高強韌纖維、智能材料。
2.人工肌肉、傳感器。
3.納米材料、柔性固態(tài)制冷等。
課題組網(wǎng)址：https://liuzunfeng.nankai.edu.cn
招聘要求
博士后崗位薪酬待遇
1.學校提供有競爭力的薪酬待遇，B檔25萬元+5萬元（天津市人才補貼），若入選“博士后創(chuàng)新人才支持計劃”等各類國家資助計劃，可兼得國家和學校支持，最高可享年薪共計55萬元人民幣（稅前）。詳情可參見：
https://chem.nankai.edu.cn/2021/0704/c24589a378805/page.htm
2.入站后學校認定中級專業(yè)技術職務，出站后學校頒發(fā)博士后證書。
3.入站后享受國家和天津市各項博士后政策，包括基金申請、出國項目申報等，學校鼓勵并支持申請博士后各類基金和人才項目；學校定期召開南開化學青年教師論壇，積極搭建學術交流平臺；經(jīng)導師和學校批準，在站期間可帶薪作為聯(lián)合培養(yǎng)博士后去國際頂尖研究機構從事科學研究，為博士后營造良好的學術氛圍和成長環(huán)境。
4.可根據(jù)《南開大學青年教職工周轉住房管理暫行辦法》相關規(guī)定向學校申請周轉住房。
5.本人子女入學（小學）、入托等享受學校事業(yè)編制教師待遇。
6.博士后第二聘期結束前，工作業(yè)績突出者可通過崗位評審程序聘為南開大學教師、特聘副研究員。
應聘方式
1.請應聘者將簡歷及相關證明材料（文章、成果情況等）通過郵件，以“應聘崗位＋姓名”為主題發(fā)送至以下郵箱：liuzunfeng@nankai.edu.cn
2.將以郵件或電話的方式通知通過初選的應聘者，前來參加本單位組織的筆試或面試。
劉遵峰教授簡介
劉遵峰，南開大學教授，國家杰出青年基金獲得者。研究方向為柔性智能高分子纖維材料，包括高強韌人造蜘蛛絲、人工肌肉、柔性電子、柔性制冷等。在 Science , Nat. Commun., Adv. Mater.等國際學術 SCI 期刊上發(fā)表研究論文 100 余篇。其中2015年關于可拉伸導體的研究工作被美國《Discover Magazine》評選為2015年度全球TOP100重大科學發(fā)現(xiàn)；2019年關于“扭熱制冷”的工作發(fā)展了逆轉制冷新方法，大幅提高了制冷效率；研發(fā)的水凝膠纖維人造蜘蛛絲強度與韌性性能接近天然蜘蛛絲；基于多種纖維材料等發(fā)展了多種智能織物。發(fā)展了基于零泊松比褶皺結構的彈性導體，構建了多層次協(xié)同作用的模擬神經(jīng)傳導、應變傳感、驅動為一體的人工肌肉纖維。 多篇關于柔性健康監(jiān)測的文章被選為封面文章，受邀撰寫多篇綜述，授權中國專利8余項，在多個國內(nèi)外學術會議做邀請報告40余次。
1. Xiang Zhou, Shaoli Fang, Xueqi Leng, Zunfeng Liu,* and Ray H. Baughman*. Power of the Fiber Twist. Acc. Chem. Res. 2021,https://doi.org/10.1021/acs.accounts.1c00112
2. Run Wang#, Shaoli Fang#, Zunfeng Liu*, Ray H. Baughman* et al. Torsional refrigeration by twisted, coiled, and supercoiled fibers, Science, 2019, 366(6462): 216-221.
3.Yuanyuan Dou, Zunfeng Liu* et al. Artificial Spider Silk from Ion-Doped and Twisted Core-Sheath Hydrogel Fibres, Nat. Commun, 2019, 10, 5293.
4. Zunfeng Liu, Shaoli Fang*, Ray H. Baughman* et al. Hierarchically Buckled Fibers for Superelastic Electronics, Sensors, and Muscles, Science, 2015, 349(6246): 400-404 .
5. Kaiqing Yu, Xiaozhou Ji, Tianyu Yuan, Yao Cheng, Jingjing Li, Xiaoyu Hu, Zunfeng Liu*, Xiang Zhou*, Lei Fang* Robust Jumping Actuator with a Shrimp-Shell Architecture, Advanced Materials, 2021, 2104558
6. Tianjiao Jia, Zunfeng Liu* et al. Moisture Sensitive Smart Yarns and Textiles from Self-Balanced Silk Fiber Muscles, Adv. Funct. Mater, 2019, 29(18): 1808241 (1-12).
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