目前全球十多亿台制冷设备基本还在应用蒸汽压缩制冷，但制冷效率低。蒸汽压缩已经接近热力学极限，很难再有提升的空间。而现如今，制冷占家庭用电量的20%，气体压缩制冷技术存在制冷剂泄漏的风险，加剧全球变暖。弹热制冷材料温度变化大，能效高，曾被美国能源部评价为最有希望替代蒸汽压缩制冷的固态制冷技术。其主流驱动方式以拉伸驱动、压缩驱动、弯曲驱动等为主，然而，此类方案难以较为全面地兼顾高弹热温度、低驱动力和滞后、高相变均匀性和较高疲劳耐久。如何能够兼顾各方面性能优势，实现较理想的弹热制冷设计，是此领域目前面对的问题。
在近日的科学研究中，南开大学刘遵峰和中国药科大学周湘研究团队在弹性热制冷技术领域取得了显著进展。本研究提出了一种基于纤维捻曲的弹热制冷设备，这种设备基于镍钛合金纤维加捻形变而设计，产生了一种周期性的、刚柔相间的非线性应力分布结构。这种结构使镍钛合金纤维在加捻时能够同时保持高绝热温度变化，低滞后，低驱动应力、高的相变均匀性和高疲劳寿命。利用加捻形变设计的弹热制冷设备，获得了最大25.6 K的温度跨度，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的设备制冷功率。
图1(a) 加捻和解捻作用下，单根（左）和多根（右）NiTi线材的弹热循环的示意图。步进电机夹持NiTi线材或线材束的一端并旋转以诱导加捻，将
奥氏体转变为马氏体并伴随有热量的产生。反向旋转则解开纤维，使马氏体恢复为奥氏体，并从环境中吸热。(b) 平均绝热温度变化在不同根数NiTi线材下的加捻密度的函数（实线），以及单根NiTi线材不同拉伸应变的函数。(c) 由拉伸和加捻循环产生的NiTi线材的滞回环比较。(d) 通过加捻NiTi线材获得的材料能效比(COP)和负绝热温度变化与其他文献报道的NiTi形状记忆合金(SMAs)的弹热制冷策略的比较。
“该研究通过纤维加捻产生的非线性应力，形成了一种周期性的、既坚固又柔韧的结构，以及周期性的熵空间分布。”刘遵峰说。这些特性共同作用，导致纤维产生低机械滞后功和高制冷效率，使得材料性能系数（COP）达到了30.8，卡诺效率高达82%。同时大大降低了弹热驱动应力，使得单股镍钛合金纤维通过加捻形变获得13 K的绝热降温只需要不到0.08 Nm的扭矩，远低于拧开一个瓶盖（约1 Nm），而比制冷温度达到−125.9 K N−1 m−1。相较于拉伸弹热制冷方法（
0.017 K MPa
-1
）有很大的优势。
图
2(a)在不同根数
NiTi线材的加捻循环中及拉伸循环中，在不同平均负绝热温度变化中的滞后功。
(b) Ni
Ti线材在加捻非线性应力下的弹热制冷和单一NiTi线材在拉伸弹热制冷中在不同绝对温度下的材料
COP。虚线表示
COP
Carno
t曲线。环境温度为
296.5 K。
(c) 在NiTi线材的加捻和解捻过程中奥氏体相分数随加捻密度变化。
(d) 在拉伸和加捻过程中加热单根NiTi线材时表面温度沿线材长度的温度分布图。
(e) 加捻
1根和
3根
NiTi线材的热像图和有限元模拟应力分布图。线材长度为
45mm。
此外，加捻产生的非线性应力还有效抑制了裂纹的扩展，使得循环寿命大大延长，达到了14752个循环，是纤维拉伸的十倍以上。研究者使用SEM对经过加捻循环后的NiTi线材的断裂表面进行了观察。图像显示，经过加捻循环的NiTi线材的断裂表面呈现出较为平滑和细小的特征，“这表明加捻应力有助于分散材料内部的应力集中，减少裂纹的形成和扩展。”周湘解释道。另外，在XRD分析技术中，研究人员发现加捻循环后的NiTi线材的晶体结构损伤较小。这表明加捻应力没有导致显著的晶体结构破坏，从而有助于提高材料的疲劳寿命。
图3(a) 1-根NiTi线材在不同负绝热温度变化下
加捻/解捻（上）与拉伸/松弛（下）循环寿命（柱状图）的比较。(b) 200个加捻/解捻或拉伸/松弛循环期间的扭矩-加捻密度曲线（上部）和应力-应变曲线（下部）。(c) 循环次数对残余加捻百分比（右）和残余应变百分比（左）的关系
。 (d) 在0.05 turns/mm加捻5415次（上部）和7%应变拉伸1087次（下部）的疲劳断裂表面。(e) 在加捻/解捻（上部）和拉伸/松弛（下部）循环期间奥氏体（110）峰的半高宽（HWHM）的变化。(f) 不同弹热制冷加载方法（拉伸、压缩和加捻）的弹热制冷性能（温度跨度、滞后、驱动应力、耐久性和材料COP）的比较。
该团队设计了一种基于扭转非线性应力的循环热泵。通过流体流过扭曲的镍钛合金线材来收集扭曲产生的热能以及镍钛合金线材解捻产生的制冷量。“该设备只需一个泵提供压力，通过切换阀门即可实现加热和冷却流体的有序泵出，这种非常简单的设计有助于实现紧凑、微型化的制冷设备，提高了总设备效率。”该文章第一作者肖熠程指出。在与不同类型已报道的弹热制冷器件的比较中，该设备的单位作用力下的温度跨度和制冷功率遥遥领先。
图4(a) 加捻非线性应力驱动的弹热制冷设备的运行循环示意图。(1) 在NiTi线材中加捻产生热量，加热介质流经NiTi线材；(2) 加热介质流经散热器将热量释放到环境中；(3) NiTi线材解捻，制冷介质流经NiTi线材进行制冷；(4) 制冷介质流经热源，完成一个加热/制冷循环。(b) 加捻非线性应力驱动的弹热制冷装置照片（左图）、制冷组件的实物照片（中图）和加捻线材在管中的示意图（右图）。(c) NiTi线材制冷组件的加热和制冷工作循环的红外图像。 (d) 在NiTi线材通过加捻非线性应力循环弹性加热和制冷过程中，出口水温度随时间的变化。(e) 对不同长度的NiTi线材引入的加捻密度变化，以0.2- Hz的循环频率，出口水平均温差的变化。(f) 本研究中获得的每牛顿驱动力的平均温差和制冷功率与文献中报道的不同类型弹热制冷设备的比较。
通过上述的作用机理，作者设计了一个通过流动流体介质来收集加热和制冷能量的扭热制冷热泵。在最优条件下，该热泵的最大平均温度跨度为25.6 K，最大比制冷功率为1850 W Kg⁻¹，最大设备COP为19.5，最大设备功率为5.0 W。与现有的技术相比，有着较大的突破。“该扭热热泵技术有望在生物医用等领域具有重要的应用前景”，周湘说。
图5(a) 弹热制冷装置通过加捻非线性应力的运行循环示意图。1) 在NiTi线材中插入加捻产生热量，加热介质流经NiTi线材；2) 加热介质流经散热器将热量释放到环境中；3) NiTi线材解捻，制冷介质流经NiTi线材进行制冷；4) 制冷介质流经热源，完成一个加热/制冷循环。(b) 通过加捻非线性应力的弹热制冷装置的照片（左图）以及热源组件的照片（中图）和示意图（右图）。(c) NiTi线材制冷组件的加热和制冷工作循环的红外图像。(d) 在通过加捻非线性应力循环弹性加热和制冷NiTi线材过程中，散热器（红色）和热源（蓝色）的出水温度随装置运行时间的变化。制冷循环期间的出水温度（灰色）也显示出来。加捻密度为0.06 turns/mm，使用了280 mm长的再生器。(e) 在两个串联的280 mm长再生器制冷系统中，加捻密度对出水水平均温差和产生的能量的影响；循环频率为0.1 Hz。插图显示了在0.07 turns/mm时，冷热两侧的温度曲线，平均温差为25.6 K。(f) 本研究中通过加捻非线性应力的制冷装置的设备COP和制冷装置的温差与文献报道的弹热制冷、磁制冷和电制冷热泵的比较。（比例尺：20 mm）
这项研究成果发表在国际著名期刊Advanced Materials上, 文章的第一作者：南开大学肖熠程博士，通讯作者：南开大学刘遵峰、郭文瑾、赵维强，中国药科大学周湘。
原文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202407009
