来自加州大学洛杉矶分校（UCLA）的科学家们在高效制冷技术领域取得了突破性进展，其研究成果发表在国际知名学术杂志《Science》上。该研究团队开发了一种基于双功能弛豫铁电聚合物的自再生热泵（SRHP），利用电热效应实现了高效、紧凑的聚合物薄膜制冷。这一创新技术不仅解决了传统制冷技术中存在的效率低下、体积庞大以及温室气体泄漏等问题，还为应对全球变暖和能源危机提供了新的解决方案，具有重要的现实意义和广阔的应用前景。

图：SRHP在制冷运行过程中切换的两种配置的横截面视图。电场交替施加到1、3、5号堆叠和2、4、6号堆叠上，呈反相位。红色表示电场开启，此时薄膜堆叠正在经历相应的电热效应加热和电致伸缩变形；蓝色表示电场关闭，薄膜堆叠正在经历电热效应制冷并恢复到平整状态

全球约20%的电力用于空调和制冷，传统蒸汽压缩制冷技术存在效率低、噪音污染、体积大和温室气体泄漏等问题。电热效应是一种将电能直接转化为热能的现象，具有高效、简单集成和紧凑制冷系统的优势，但之前的研究中存在结构复杂和制冷温差有限的问题。

在研究方法上，UCLA的科学家们设计了一种由六层聚合物薄膜堆叠而成的级联结构，每层薄膜在电场作用下发生电致伸缩变形，从而实现高效的热传递。该热泵利用电热聚合物薄膜堆叠的级联结构，在电场作用下产生电致伸缩变形，从而实现高效的热传递，无需额外的传输或再生机制。

图：SRHP的组件及组装示意图

材料与结构：研究团队开发的SRHP由六层聚合物薄膜堆叠而成，每层薄膜两侧涂有碳纳米管电极，形成一个圆形单元。薄膜堆叠在电场作用下发生电致伸缩变形，从而实现热传递。这种材料是铁电的，这意味着当施加电场时，它会改变形状。

工作原理：通过在相邻薄膜堆叠之间交替施加电场，使薄膜堆叠成对压缩和分离，形成类似手风琴的级联动作，逐层将热量从热源泵出，实现制冷。

实验设计：实验中，研究人员将SRHP的一端作为热源，另一端作为散热端，通过红外热成像和热通量传感器等设备测量制冷效果和热通量。

图：包含电热效应（EC）和电致伸缩的单元装置的工作原理

制冷效果：SRHP在30秒内可将环境温度降低8.8℃（K），在热源处的最大制冷温差可达14.2 K。

制冷功率：SRHP的最大比制冷功率达到1.52瓦/克，表明其具有高效的制冷能力。

能效与回收：通过能量回收电路，SRHP能够回收高达73%的输入电能，显著提高了能效。

稳定性测试：在70 MV/m的电场强度下，SRHP在零负载条件下运行36,000个周期后，最大制冷温差和制冷功率仍保持在原始值的90%以上，显示出良好的稳定性。

当设备的电场被打开时，堆叠的薄膜层会成对压缩在一起。当电流关闭时，成对的堆叠层会分开，然后压向其他相邻层。随着这一交替过程不断重复，自我再生的、类似手风琴的级联动作会持续逐层地将热量泵出。

图：SRHP的Tcooled和热通量测量。（A）六单元SRHP的照片。（B）SRHP在零负载条件下运行时，制冷模式下冷端和热泵模式下热端的温度-时间变化。（C）在80 MV/m和1 Hz的场强下，当SRHP的冷端和热端均保持在室温时，实时测量SRHP产生的最大热通量（D）两单元、四单元和六单元SRHP的Tcooled与时间平均瞬态热通量之间的关系图

“聚合物薄膜利用电路在成对堆叠层之间传输电荷，这使得这种柔性冷却设备比空调更高效。”该研究的共同第一作者、在Pei’s实验室工作的博士后学者Hanxiang Wu说。

传统冷却技术依赖于空调和制冷，这些技术需要蒸汽压缩，这不仅消耗大量能源，还使用二氧化碳作为制冷剂。而这种新型设备的设计更为简单，不需要产生温室气体的制冷剂或液体。它仅通过电力运行，如果通过太阳能板等可再生能源产生电力，其运行将更加可持续。

图：确定自再生热泵（SRHP）的最佳运行参数

“这种冷却设备将先进材料与优雅的机械架构相结合，通过将功能直接嵌入其结构中，实现节能冷却，从而降低了复杂性、能源使用和计算需求。”该研究的共同第一作者、机械工程博士后学者Wenzhong Yan说。

“由于我们可以使用薄柔性薄膜，电热冷却非常适合下一代可穿戴设备，这些设备可以在艰苦条件下为我们降温。” Pei说，“它还可以用于冷却具有柔性组件的电子产品。”

劳伦斯伯克利国家实验室的材料科学家、热能小组负责人Sumanjeet Kaur是该研究的另一位作者，也是UCLA为这项发明提交的专利申请的共同发明人。“高效可穿戴冷却在推动节能和缓解气候变化方面的潜力不容小觑。” Kaur说。

更多信息：

“A self-regenerative heat pump based on a dual-functional relaxor ferroelectric polymer” by Hanxiang Wu, Yuan Zhu, Wenzhong Yan, Siyu Zhang, William Budiman, Kede Liu, Jianghan Wu, Yuan Meng, Xun Zhao, Ankur Mehta, Sumanjeet Kaur and Qibing Pei, 31 October 2024, Science. DOI: 10.1126/science.adr2268

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