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天然橡胶制冷更进一步!

2021-02-21 18:03:52

弹热制冷技术是近年来新兴的一种非蒸汽压缩制冷技术,它是由应力场驱动弹热材料相变而产生制冷效应的固态制冷技术,其基本原理在2004年被英国科学家提出并已被美国能源部认为最具潜力的新型制冷技术。

形状记忆合金被认为是良好的弹热材料,对材料施加轴向载荷,在应力作用下由奥氏体转变为马氏体,熵减小并且对外放热;去除载荷时,逆向的相变导致熵增大,从外界吸热,产生制冷效应。但驱动应力大(700MPa)、抗疲劳性差都限制了它们的实际应用。

天然橡胶制冷更进一步!

在压力作用下,弹性热材料能够改变温度,有望推动下一代制冷技术的发展

除了形状记忆合金,弹性体材料是我们的另一种选择,例如天然橡胶(NR),拉伸会发热,缩回会降低温度。天然橡胶是柔软、廉价和可生物降解的,并可解决了人工冷却的一些重大工程和可持续性问题。天然橡胶的广泛应用,加上拉伸所需的低机械力,使其成为未来大规模、大功率冷却设备的理想候选者。

近日,奥地利林茨大学M. Kaltenbrunner教授等提出并展示了一种基于弹性体的冷却系统,相关成果以《Elastocaloric heat pump with specific cooling power of 20.9Wg-1 exploiting snap-through instability and strain-induced crystallization》为题发表在Nature Energy期刊上。

研究者们将天然橡胶(NR)的应变诱导结晶和瞬时不稳定性相结合,使系统的准绝热启动速度低于100ms,比传统装置快30倍。在橡胶被拉伸的过程中,随机分布的分子链排列在一起,从而降低了构象数量,对于绝热形变,构象熵的减小增加了热熵,也就是加热了材料。这个过程是可逆的,松弛后恢复初始状态。

较强的拉伸还导致NR分子部分转变为有序结晶相,并伴随着潜热的释放。这种相变在很大程度上也是可逆的。在这两种效应中,应变诱导结晶相关的加热占主导地位,它产生了比其他方法更高的冷却功率。

该橡胶基全软热泵的比制冷功率为20.9Wg-1,热流密度为256MWcm-2,性能系数为4.7,冷热源之间的单级温差为7.9K。由于弹性体固有特性,因此所需的力很小,可以为移动应用、机器人技术与飞机,甚至与航天器有关的任务提供轻巧紧凑的制冷设置。

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