北航在固态相变制冷领域取得新进展

2022年3月29日，Nature Reviews Materials以Materials, physics and systems for multicaloric cooling为题报道了北京航空航天大学侯慧龙副教授在固态相变制冷领域取得的新进展。

侯慧龙副教授及其长期合作者深入系统地梳理和归纳了弹热、磁热、电热、压热等单场致效应，以及力电磁多场转换与调控的发展过程与研究现状。在此基础上，进行了原创性的研究工作，即通过分析力磁电多场响应材料的内禀序参量，以及共轭外场的物理过程，发现磁化强度、电极化强度、机械强度等内禀序参量与对应的磁场、电场、力场等共轭外场在相变过程、物理描述和宏观行为上存在共通性，发展了一级相变材料在零场和非零场条件下的通用相图和熵变公式。发现场致熵变联合增效的关键在于对熵变符号的多场调控。提出了力磁电多场响应材料与驱动场的协同设计策略，完善了材料类型（单相、复合相）与共轭外场对于熵变符号的多场调控机制，动态调控场致熵变（磁熵、晶格熵和极化熵），实现了多场致熵变的联合增效。

通过综合分析一级相变制冷材料中减小相变滞后的策略与机理，发现在功-能转换过程中滞后损耗所带来的损耗功，主要通过其在输入功的占比，以及改变用于逆向转变的弹性能来影响材料的功能寿命。基于试验结果，提出损耗功在输入功占比小于10%是一级相变制冷材料达到百万次循环以上功能寿命的延寿准则，建立了一级和二级相变所对应的功能寿命预测公式。更重要的是，基于能量形式建立的延寿准则和公式，可从单场效应材料体系推广至多场效应体系，具有普适性，表明了力磁电多场响应材料内禀序参量与共轭外场具有共同的驱动因素。从材料制冷性能系数出发，揭示了驱动损失、传热损失、循环损失、寄生损失4类损失对于器件制冷性能系数逐级削减的影响规律，完善了在器件设计中，多场材料与器件的性能评价体系。同时，以磁性形状记忆合金为模型材料，获得多场协同增效制冷器件，核心材料性能指数为24.5，达到同期国际最高水平。

在该项工作中，合作者是来自西安交通大学的钱苏昕副教授和马里兰大学的Ichiro Takeuchi教授。此项工作得到了国家自然科学基金委员会、北京航空航天大学青年拔尖人才支持计划、北京航空航天大学杭州创新研究院（余杭）的资助。