2024-05-10
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電卡制冷技術(shù)基于電介質(zhì)電容器的充放電，實(shí)現(xiàn)高效制冷。EC陶瓷和聚合物因其高能量可逆性、高回收率、簡(jiǎn)易驅(qū)動(dòng)和緊湊結(jié)構(gòu)，備受關(guān)注。這些材料適用于現(xiàn)有大規(guī)模生產(chǎn)工藝，展現(xiàn)出固態(tài)制冷技術(shù)的潛力。通過(guò)主動(dòng)電熱再生循環(huán)驗(yàn)證，EC設(shè)備可實(shí)現(xiàn)大溫度跨度，媲美傳統(tǒng)制冷技術(shù)。靜電驅(qū)動(dòng)的聚合物薄膜制冷器是重要突破，適用于受限環(huán)境。但為提升總功率，需增加EC材料，導(dǎo)致工作體增厚和傳熱時(shí)間延長(zhǎng)。因此，研究需探索更高效的EC材料以提高制冷性能。
EC聚合物因柔韌性、低密度和電學(xué)穩(wěn)定性在制冷中作用顯著，但低熱導(dǎo)率（0.2 W·m?1·K?1）和高電場(chǎng)需求是其效率挑戰(zhàn)。富含聚合物的納米復(fù)合材料有望提升ECE和熱導(dǎo)率，同時(shí)保持軟材料特性。常用高介電常數(shù)（k）鐵電無(wú)機(jī)氧化物納米粒子作填料，可放大電場(chǎng)變形，促進(jìn)界面極化，增強(qiáng)ECE。Chen等人通過(guò)（P(VDF–TrFE–CFE)）/ZrO2納米復(fù)合材料改善了極化和ECE，ZrO2的介電常數(shù)（ε~30）與基礎(chǔ)三元聚合物（ε~45）相近，界面內(nèi)場(chǎng)變形顯著。
上海交通大學(xué)錢小石教授課題組通過(guò)在弛豫鐵電聚合物P(VDF-TrFE-CFE)中創(chuàng)新性地引入低介電常數(shù)納米金剛石填料(ND)，成功實(shí)現(xiàn)了電卡制冷效應(yīng)、導(dǎo)熱性能及擊穿場(chǎng)強(qiáng)的顯著提升。這一成果在《Nature communications》上以“低介電納米材料助力高介電鐵電聚合物實(shí)現(xiàn)可持續(xù)電卡制冷”為題發(fā)表。研究團(tuán)隊(duì)在市售弛豫鐵電聚合物中引入ND，旨在優(yōu)化納米復(fù)合材料的導(dǎo)電率、電學(xué)穩(wěn)定性和熱導(dǎo)率。通過(guò)降低聚合物電介質(zhì)的介電響應(yīng)，混合物在添加少量ND后，顯著增強(qiáng)了極化和ECE性能。特別地，當(dāng)ND含量為2.6%時(shí)，ECE提升高達(dá)60%，較之前報(bào)道的高介電常數(shù)填充物性能提升近70%。同時(shí)，由于ND含量較低，納米復(fù)合材料的熱導(dǎo)率也提升了75%，為電卡制冷技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展提供了新途徑。
通過(guò)原位XRD實(shí)驗(yàn)表明ECE的提升源于納米復(fù)合材料中非極性-極性相變能壘的降低。靜電力顯微鏡（EFM）測(cè)試揭示ND-聚合物界面電位顯著增長(zhǎng)，這可能直接增強(qiáng)了材料的極化性能。基于ECE與導(dǎo)熱性的雙重提升，我們開(kāi)發(fā)了連續(xù)旋轉(zhuǎn)循環(huán)的EC制冷裝置模型。數(shù)值分析顯示，納米復(fù)合材料作為核心制冷元件可大幅增強(qiáng)EC設(shè)備的制冷能力和效率。在10K溫差下，采用T-ND-2.6%納米復(fù)合材料的制冷裝置，其制冷系數(shù)（COP）高達(dá)5.3（三元共聚物僅為0.8），且制冷功率保持在240W以上，較純?nèi)簿畚镅b置提升10倍。
圖1. 基礎(chǔ)三元共聚物和 ND 摻雜納米復(fù)合材料的總體性能。
圖2. SAXS 和原位 WAXD 測(cè)試表明，低 k ND 可以降低三元共聚物相變的能量勢(shì)壘。
圖3. 極化增強(qiáng)主要原因的特征。
圖4. 摻入 ND 的納米復(fù)合材料的環(huán)保性。
圖5. 基于流固耦合的電子制冷機(jī)的制冷性能。
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