流行近百年的制冷技术，或将被钛酸锶材料突破！极限制冷效率可提高近百倍 i-山东化工网

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流行近百年的制冷技术，或将被钛酸锶材料突破！极限制冷效率可提高近百倍 i

文章来源：贤集网更新时间：2024-05-17 16:21:34

材料力学的应变工程被业界称为“点石成金”术，其重要手段之一就是通过脉冲激光沉积技术，在某种衬底上外延生长另外一种薄膜材料，从而实现由晶胞结构失配带来的外延应变。

国防科技大学研究团队与国内外多所高校和研究机构合作，受“点石成金”术启发，首次在先兆型铁电体钛酸锶氧化物薄膜中实现了应变增强的电卡效应，使体相钛酸锶材料电卡制冷效率提高10倍以上，在居里温度（243K）附近制冷效率甚至可提高近百倍。

钛酸锶材料是一种被称为“先兆型铁电体”或“量子顺电体”的材料，只在接近绝对零度（-273℃）时才展现出铁电性或电卡制冷效应。那么，如何让钛酸锶发挥更强的电卡效应？

1、大幅提高制冷效率

天然材料中的电卡效应比较弱，最佳工作温度也偏低或偏窄。解决这些问题一方面需要继续寻找或者合成新材料，另一方面需要在无机材料中通过经典的掺杂或离子代换等工艺提高电卡效应或其工作温度。“但这样往往会因掺杂引发的缺陷导致漏电乃至器件击穿损坏，对产业应用不利。”张森说。

“钛酸锶材料‘底子好’，如何培养它产出新材料，是团队一直在思考的问题。”张森表示，材料力学界的“点石成金”术在超导、磁性以及铁电特性的调控方面都有应用，团队受此启发将其用在电卡增强上并取得成功。

据介绍，这项研究前后持续了7年多，仅论文就修改了30余稿，难度主要集中在高质量薄膜制备、结构的精细表征、各种电学效应精确测试、朗道理论的全面和深入分析。

研究团队反复验证推敲，最终通过脉冲激光沉积技术在钪酸镝单晶衬底上外延生长出高质量钛酸锶薄膜，使钛酸锶固有的电卡效应在172K至300K温度区间提高10倍以上，在243K附近达到上百倍的增强效应。这意味着原来的体相钛酸锶材料电卡制冷效率被提高了10倍以上，离实际应用更近一步。

“我们提出的应变增强方案是一种新思路，可较好地避免漏电、器件击穿损坏等问题，但这也对薄膜生长工艺提出了更高的要求。”张森表示，研究提出的通过外延应变增强钙钛矿氧化物薄膜电卡效应方案，为拓展电卡材料研究体系提供了新思路，也为未来高效节能、环保便捷的新型制冷技术提供了重要参考。

据介绍，该论文投稿过程中，3位审稿专家都给予了肯定，认为在钛酸锶材料中进行系统表征并实现电卡及其增强效应“实属罕见”，该研究代表了电卡领域的革新成果和重要进展。

2、研究“固体物理中的果蝇”

团队的研究成果离应用还有多远？张森说，目前电卡效应在国际上已有部分应用，目标也很明确，就是打造低碳、环保的新型制冷技术。“我们的这项研究成果虽然增强效应强，但钛酸锶本身的效应太弱，最终增强后的电卡效应也不是很高，离实际应用可能还有比较长的距离。乐观估计，或许未来5至10年其有望在红外制冷、芯片原位热管理等领域得到初步应用。”

诺贝尔物理学奖获得者K. Alex Muller称钛酸锶是“固体物理中的果蝇”，很多重要的固体物理现象都是从该材料上发现的，甚至其中还有一些至今尚未被完全理解的现象。

“目前来看，本研究的价值更多体现在给物理以及材料科学带来的启示意义上。我们的研究以钛酸锶为范本，从物理上证明了外延应变是增强现有材料电卡效应的有效方案，可启发更多相关研究工作，从而促进无机电卡效应研究的发展与进步。”张森表示。

3、10大新型制冷技术

随着气候变化和环保意识的提高，传统的制冷技术面临许多挑战。因此，近年来涌现出了许多新型制冷技术，以提高效率、降低能耗和环境影响为目标。以下是10种最具前景的新型制冷技术：

磁制冷技术

利用磁场改变材料温度的特性，实现无需压缩机和制冷剂即可实现制冷。

声波制冷技术

通过声波产生压缩和膨胀循环，实现制冷效果。

圣戈班效应制冷技术

利用材料在磁场作用下出现的温度差异，实现制冷效果。

湿度控制制冷技术

通过调节湿度来控制空气中的水分含量，从而实现制冷效果。

电吸收制冷技术

利用电场使制冷剂发生相变，实现制冷效果。

导热材料制冷技术

利用导热材料将热量从低温区域传导到高温区域，实现制冷效果。

热电制冷技术

利用材料在温差作用下产生的电压和电流变化来实现制冷效果。

基于碳纳米管的制冷技术

利用碳纳米管的特殊结构和性质，实现制冷效果。

微通道制冷技术

通过微通道内的流体循环实现制冷效果。

热泵制冷技术

利用热泵原理将低温区域的热量转移到高温区域，实现制冷效果。

这些新型制冷技术在不同程度上都具有高效、低能耗、环保等优势，将在未来的清凉世界中扮演重要角色。

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