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上海交大钱小石副教授在Nature上宣布论文

打破电卡制冷效应工程运用瓶颈

北京时间12月23日，上海交通大学机械与动力工程学院钱小石、陈江平团队，和物理与地理学院学院、自然科学研讨院洪亮课题组，化学化工学院黄兴溢课题组组成的跨学科穿插研讨团队在Nature上宣布“High-entropy polymer produces a giant electrocaloric effect at low fields”的论文，经过精巧规划分子缺点调控弛豫铁电资料，制备了一种极化高熵高分子，明显提凹凸电场下的巨电卡效应，并初次将循环寿数进步至逾百万次。钱小石副教授为本文榜首作者与通讯作者。这是我国科研单位初次在Nature宣布以电卡制冷为主题的论文，也是上海交大机械与动力工程学院初次以榜首完结单位在Nature上宣布研讨论文。巨电卡效应（Giant Electrocaloric Effect）是一种奇特的凝聚态物理现象，运用电介质充放电过程中的可逆电致温变组成制冷循环，逆着温度梯度输运热量。该范畴研讨触及工程热物理、凝聚态物理、电子电气工程、机械工程、有机/无机功用资料等学科，具有明显学科穿插特征。电卡制冷体系运用介电电容器制冷，电能损耗小、能效高，具有零温室效应潜能（GWP）、易于小型化/轻量化等特色，是完结双碳方针的重要颠覆性前瞻技能之一。但是，现在最优的制冷电介质仍需极高外加电场，才干发生工业化可用的降温作用，而高电场在实践样机作业过程中，极易形成资料老化与击穿，因此怎么进步资料在低电场下的电致熵变是运用范畴亟需霸占的难题。图1 经过规划极化高熵资料提凹凸场电卡效应

本文经过规划一系列极化高熵高分子,明显增强了高分子的本征电致熵变，无需异质资料掺杂。在较低外加电场（50 MVm-1）的驱动下，这种极化高熵资料表现出的电卡效应是现在最优制冷高分子的近4倍。多种结构表征均标明，高熵高分子一起具有更高的结晶度与更小的晶粒尺度，据此可估测资料内出现极化基元数量的明显增加，体系具有更高的自由度与极化熵。图2 高熵聚合物场致相变剖析

除了进步零场偶极自由度，该高熵高分子在低电场下更容易发生相变。上海光源同步辐射19U，16B线站原位电场下的X射线衍射结果标明，极化高熵资料的相变能垒更低，外加电场后极化晶区的份额更高，在低电场驱动下相变才能进步5倍。一起，准弹性中子散射试验标明，高熵高分子高频轰动受限（1ns），因此该高熵高分子可以在完结低场高电卡效应的一起表现出较高的机械强度，有利于探究该型资料后续产业化工艺。图3 高熵聚合物的介电功用

介电测试数据亦暗示了资料内极化基元的高熵状况。跟着分子缺点含量的微量进步，高熵高分子介电温谱中极性峰值逐步进步，一起峰值温度表现出明显的钉扎特性，提醒分子缺点在促进铁电极化区总量的一起，并未进步极化基元间的居里常数（极化相关）。介电表征与朗道理论、结构表征数据一道验证了体系所在的极化高熵状况。图4 高熵聚合物的循环特性

高熵高分子在约40MVm-1的低电场以上即可超越工程运用的电卡效应门槛，在80MVm-1的电场下循环作业六万余次后制冷功用不变。持续循环超越百万次后制冷/制热能量可逆性明显进步，制冷效应仅衰减缺乏10%。相同工况下，循环寿数进步超越20000倍。运用该型高熵高分子的自动回热型制冷体系理论温跨超越50摄氏度、大温跨工况下热力学完善度超越80%。

研讨作业取得科技部要点研制方案革新性技能与要害科学问题专项、国家自然科学基金和上海市自然科学基金原创探究项目的赞助。钱小石作为该项穿插研讨课题的负责人，提出研讨主意后，组织规划试验、建立渠道，与博士生韩东霖完结了首要作业。研讨作业取得多个团队支撑，其间上海光源原位Xray散射试验，以及美国技能标准局中子渠道的准弹性中子散射试验由洪亮课题组完结；黄兴溢团队、黄厚兵团队分别在资料规划组成与相场仿真方面为本研讨供给重要支撑。机动学院博士生韩东霖、洪亮团队博士生郑力荣、黄兴溢团队博士后陈杰为一起榜首作者；洪亮、黄兴溢与北京理工大学黄厚兵为一起通讯作者。此外，美国宾州州立大学、北卡州立大学等多家世界研讨团队也参加了研讨作业。

钱小石长时间从事功用资料与智能体系研讨，参加了多款高分子、陶瓷功用资料规划与制备工艺研制，现任世界动力署53号附件组专家，我国“相变制冷资料与技能专业委员会”委员。入职上海交大以来，他以榜首或通讯作者在Nature、Joule（2）、Nature Nanotechnology、我国科学：技能科学（英文版）、世界制冷学报等学术刊物宣布多篇论文，掌管国家要点研制方案专项课题、自然科学基金面上项目、上海市科委“原创探究”项目等多项原创、学科穿插型科研项目。

论文链接：

nature/articles/s41586-021-04189-5