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南開(kāi)大學(xué)劉遵峰合作團(tuán)隊(duì) Adv. Mater.:突破固態(tài)制冷瓶頸 - 創(chuàng)新扭熱熱泵技術(shù)助力環(huán)保節(jié)能
2024-09-30  來(lái)源:高分子科技

  目前全球十多億臺(tái)制冷設(shè)備基本還在應(yīng)用蒸汽壓縮制冷,但制冷效率低。蒸汽壓縮已經(jīng)接近熱力學(xué)極限,很難再有提升的空間。而現(xiàn)如今,制冷占家庭用電量的20%,氣體壓縮制冷技術(shù)存在制冷劑泄漏的風(fēng)險(xiǎn),加劇全球變暖。彈熱制冷材料溫度變化大,能效高,曾被美國(guó)能源部評(píng)價(jià)為最有希望替代蒸汽壓縮制冷的固態(tài)制冷技術(shù)。其主流驅(qū)動(dòng)方式以拉伸驅(qū)動(dòng)、壓縮驅(qū)動(dòng)、彎曲驅(qū)動(dòng)等為主,然而,此類(lèi)方案難以較為全面地兼顧高彈熱溫度、低驅(qū)動(dòng)力和滯后、高相變均勻性和較高疲勞耐久。如何能夠兼顧各方面性能優(yōu)勢(shì),實(shí)現(xiàn)較理想的彈熱制冷設(shè)計(jì),是此領(lǐng)域目前面對(duì)的問(wèn)題。


  在近日的科學(xué)研究中,南開(kāi)大學(xué)劉遵峰和中國(guó)藥科大學(xué)周湘研究團(tuán)隊(duì)在彈性熱制冷技術(shù)領(lǐng)域取得了顯著進(jìn)展。本研究提出了一種基于纖維捻曲的彈熱制冷設(shè)備,這種設(shè)備基于鎳鈦合金纖維加捻形變而設(shè)計(jì),產(chǎn)生了一種周期性的、剛?cè)嵯嚅g的非線(xiàn)性應(yīng)力分布結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)使鎳鈦合金纖維在加捻時(shí)能夠同時(shí)保持高絕熱溫度變化,低滯后,低驅(qū)動(dòng)應(yīng)力、高的相變均勻性和高疲勞壽命。利用加捻形變?cè)O(shè)計(jì)的彈熱制冷設(shè)備,獲得了最大25.6 K的溫度跨度,最大1850 W? Kg-1的比制冷功率,最大19.5的器件COP,以及最大5.0 W的設(shè)備制冷功率。


圖1(a) 加捻和解捻作用下,單根(左)和多根(右)NiTi線(xiàn)材的彈熱循環(huán)的示意圖。步進(jìn)電機(jī)夾持NiTi線(xiàn)材或線(xiàn)材束的一端并旋轉(zhuǎn)以誘導(dǎo)加捻,將奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體并伴隨有熱量的產(chǎn)生。反向旋轉(zhuǎn)則解開(kāi)纖維,使馬氏體恢復(fù)為奧氏體,并從環(huán)境中吸熱。(b) 平均絕熱溫度變化在不同根數(shù)NiTi線(xiàn)材下的加捻密度的函數(shù)(實(shí)線(xiàn)),以及單根NiTi線(xiàn)材不同拉伸應(yīng)變的函數(shù)。(c) 由拉伸和加捻循環(huán)產(chǎn)生的NiTi線(xiàn)材的滯回環(huán)比較。(d) 通過(guò)加捻NiTi線(xiàn)材獲得的材料能效比(COP)和負(fù)絕熱溫度變化與其他文獻(xiàn)報(bào)道的NiTi形狀記憶合金(SMAs)的彈熱制冷策略的比較。


  “該研究通過(guò)纖維加捻產(chǎn)生的非線(xiàn)性應(yīng)力,形成了一種周期性的、既堅(jiān)固又柔韌的結(jié)構(gòu),以及周期性的熵空間分布!眲⒆穹逭f(shuō)。這些特性共同作用,導(dǎo)致纖維產(chǎn)生低機(jī)械滯后功和高制冷效率,使得材料性能系數(shù)(COP)達(dá)到了30.8,卡諾效率高達(dá)82%。同時(shí)大大降低了彈熱驅(qū)動(dòng)應(yīng)力,使得單股鎳鈦合金纖維通過(guò)加捻形變獲得13 K的絕熱降溫只需要不到0.08 Nm的扭矩,遠(yuǎn)低于擰開(kāi)一個(gè)瓶蓋(約1 Nm),而比制冷溫度達(dá)到?125.9 K N?1 m?1。相較于拉伸彈熱制冷方法(0.017 K MPa-1)有很大的優(yōu)勢(shì)。


圖2(a)在不同根數(shù)NiTi線(xiàn)材的加捻循環(huán)中及拉伸循環(huán)中,在不同平均負(fù)絕熱溫度變化中的滯后功。(b) NiTi線(xiàn)材在加捻非線(xiàn)性應(yīng)力下的彈熱制冷和單一NiTi線(xiàn)材在拉伸彈熱制冷中在不同絕對(duì)溫度下的材料COP。虛線(xiàn)表示COPCarnot曲線(xiàn)。環(huán)境溫度為296.5 K。(c) 在NiTi線(xiàn)材的加捻和解捻過(guò)程中奧氏體相分?jǐn)?shù)隨加捻密度變化。(d) 在拉伸和加捻過(guò)程中加熱單根NiTi線(xiàn)材時(shí)表面溫度沿線(xiàn)材長(zhǎng)度的溫度分布圖。 (e) 加捻1根和3根NiTi線(xiàn)材的熱像圖和有限元模擬應(yīng)力分布圖。線(xiàn)材長(zhǎng)度為45mm。


  此外,加捻產(chǎn)生的非線(xiàn)性應(yīng)力還有效抑制了裂紋的擴(kuò)展,使得循環(huán)壽命大大延長(zhǎng),達(dá)到了14752個(gè)循環(huán),是纖維拉伸的十倍以上。研究者使用SEM對(duì)經(jīng)過(guò)加捻循環(huán)后的NiTi線(xiàn)材的斷裂表面進(jìn)行了觀察。圖像顯示,經(jīng)過(guò)加捻循環(huán)的NiTi線(xiàn)材的斷裂表面呈現(xiàn)出較為平滑和細(xì)小的特征,“這表明加捻應(yīng)力有助于分散材料內(nèi)部的應(yīng)力集中,減少裂紋的形成和擴(kuò)展!敝芟娼忉尩。另外,在XRD分析技術(shù)中,研究人員發(fā)現(xiàn)加捻循環(huán)后的NiTi線(xiàn)材的晶體結(jié)構(gòu)損傷較小。這表明加捻應(yīng)力沒(méi)有導(dǎo)致顯著的晶體結(jié)構(gòu)破壞,從而有助于提高材料的疲勞壽命。


圖3(a) 1-根NiTi線(xiàn)材在不同負(fù)絕熱溫度變化下加捻/解捻(上)與拉伸/松弛(下)循環(huán)壽命(柱狀圖)的比較。(b) 200個(gè)加捻/解捻或拉伸/松弛循環(huán)期間的扭矩-加捻密度曲線(xiàn)(上部)和應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)(下部)。(c) 循環(huán)次數(shù)對(duì)殘余加捻百分比(右)和殘余應(yīng)變百分比(左)的關(guān)系。 (d) 在0.05 turns/mm加捻5415次(上部)和7%應(yīng)變拉伸1087次(下部)的疲勞斷裂表面。(e) 在加捻/解捻(上部)和拉伸/松弛(下部)循環(huán)期間奧氏體(110)峰的半高寬(HWHM)的變化。(f) 不同彈熱制冷加載方法(拉伸、壓縮和加捻)的彈熱制冷性能(溫度跨度、滯后、驅(qū)動(dòng)應(yīng)力、耐久性和材料COP)的比較。


  該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種基于扭轉(zhuǎn)非線(xiàn)性應(yīng)力的循環(huán)熱泵。通過(guò)流體流過(guò)扭曲的鎳鈦合金線(xiàn)材來(lái)收集扭曲產(chǎn)生的熱能以及鎳鈦合金線(xiàn)材解捻產(chǎn)生的制冷量。“該設(shè)備只需一個(gè)泵提供壓力,通過(guò)切換閥門(mén)即可實(shí)現(xiàn)加熱和冷卻流體的有序泵出,這種非常簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)有助于實(shí)現(xiàn)緊湊、微型化的制冷設(shè)備,提高了總設(shè)備效率。”該文章第一作者肖熠程指出。在與不同類(lèi)型已報(bào)道的彈熱制冷器件的比較中,該設(shè)備的單位作用力下的溫度跨度和制冷功率遙遙領(lǐng)先。


圖4(a) 加捻非線(xiàn)性應(yīng)力驅(qū)動(dòng)的彈熱制冷設(shè)備的運(yùn)行循環(huán)示意圖。(1) 在NiTi線(xiàn)材中加捻產(chǎn)生熱量,加熱介質(zhì)流經(jīng)NiTi線(xiàn)材;(2) 加熱介質(zhì)流經(jīng)散熱器將熱量釋放到環(huán)境中;(3) NiTi線(xiàn)材解捻,制冷介質(zhì)流經(jīng)NiTi線(xiàn)材進(jìn)行制冷;(4) 制冷介質(zhì)流經(jīng)熱源,完成一個(gè)加熱/制冷循環(huán)。(b) 加捻非線(xiàn)性應(yīng)力驅(qū)動(dòng)的彈熱制冷裝置照片(左圖)、制冷組件的實(shí)物照片(中圖)和加捻線(xiàn)材在管中的示意圖(右圖)。(c) NiTi線(xiàn)材制冷組件的加熱和制冷工作循環(huán)的紅外圖像。 (d) 在NiTi線(xiàn)材通過(guò)加捻非線(xiàn)性應(yīng)力循環(huán)彈性加熱和制冷過(guò)程中,出口水溫度隨時(shí)間的變化。(e) 對(duì)不同長(zhǎng)度的NiTi線(xiàn)材引入的加捻密度變化,以0.2- Hz的循環(huán)頻率,出口水平均溫差的變化。(f) 本研究中獲得的每牛頓驅(qū)動(dòng)力的平均溫差和制冷功率與文獻(xiàn)中報(bào)道的不同類(lèi)型彈熱制冷設(shè)備的比較。


  通過(guò)上述的作用機(jī)理,作者設(shè)計(jì)了一個(gè)通過(guò)流動(dòng)流體介質(zhì)來(lái)收集加熱和制冷能量的扭熱制冷熱泵。在最優(yōu)條件下,該熱泵的最大平均溫度跨度為25.6 K,最大比制冷功率為1850 W Kg?1,最大設(shè)備COP為19.5,最大設(shè)備功率為5.0 W。與現(xiàn)有的技術(shù)相比,有著較大的突破。“該扭熱熱泵技術(shù)有望在生物醫(yī)用等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景”,周湘說(shuō)。


圖5(a) 彈熱制冷裝置通過(guò)加捻非線(xiàn)性應(yīng)力的運(yùn)行循環(huán)示意圖。1) 在NiTi線(xiàn)材中插入加捻產(chǎn)生熱量,加熱介質(zhì)流經(jīng)NiTi線(xiàn)材;2) 加熱介質(zhì)流經(jīng)散熱器將熱量釋放到環(huán)境中;3) NiTi線(xiàn)材解捻,制冷介質(zhì)流經(jīng)NiTi線(xiàn)材進(jìn)行制冷;4) 制冷介質(zhì)流經(jīng)熱源,完成一個(gè)加熱/制冷循環(huán)。(b) 通過(guò)加捻非線(xiàn)性應(yīng)力的彈熱制冷裝置的照片(左圖)以及熱源組件的照片(中圖)和示意圖(右圖)。(c) NiTi線(xiàn)材制冷組件的加熱和制冷工作循環(huán)的紅外圖像。(d) 在通過(guò)加捻非線(xiàn)性應(yīng)力循環(huán)彈性加熱和制冷N(xiāo)iTi線(xiàn)材過(guò)程中,散熱器(紅色)和熱源(藍(lán)色)的出水溫度隨裝置運(yùn)行時(shí)間的變化。制冷循環(huán)期間的出水溫度(灰色)也顯示出來(lái)。加捻密度為0.06 turns/mm,使用了280 mm長(zhǎng)的再生器。(e) 在兩個(gè)串聯(lián)的280 mm長(zhǎng)再生器制冷系統(tǒng)中,加捻密度對(duì)出水水平均溫差和產(chǎn)生的能量的影響;循環(huán)頻率為0.1 Hz。插圖顯示了在0.07 turns/mm時(shí),冷熱兩側(cè)的溫度曲線(xiàn),平均溫差為25.6 K。(f) 本研究中通過(guò)加捻非線(xiàn)性應(yīng)力的制冷裝置的設(shè)備COP和制冷裝置的溫差與文獻(xiàn)報(bào)道的彈熱制冷、磁制冷和電制冷熱泵的比較。(比例尺:20 mm)


  這項(xiàng)研究成果發(fā)表在國(guó)際著名期刊Advanced Materials上, 文章的第一作者:南開(kāi)大學(xué)肖熠程博士,通訊作者:南開(kāi)大學(xué)劉遵峰、郭文瑾、趙維強(qiáng),中國(guó)藥科大學(xué)周湘。


  原文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202407009


南開(kāi)劉遵峰教授課題組誠(chéng)招2025年博士后、特聘副研究員- 材料、化學(xué)、高分子、紡織與纖維、生物學(xué)、金屬、計(jì)算模擬


招聘內(nèi)容

1. 博士、博士后、特聘副研究員

2.學(xué)科方向: 材料學(xué)、化學(xué)、高分子、紡織與纖維、生物學(xué)、金屬、計(jì)算模擬等學(xué)科。


實(shí)驗(yàn)室研究方向

1.高強(qiáng)韌纖維、智能材料。

2.人工肌肉、傳感器。

3.納米材料、柔性固態(tài)制冷等。

課題組網(wǎng)址:https://liuzunfeng.nankai.edu.cn


招聘要求

博士后崗位薪酬待遇

1.學(xué)校提供有競(jìng)爭(zhēng)力的薪酬待遇,B檔25萬(wàn)元+5萬(wàn)元(天津市人才補(bǔ)貼),若入選“博士后創(chuàng)新人才支持計(jì)劃”等各類(lèi)國(guó)家資助計(jì)劃,可兼得國(guó)家和學(xué)校支持,最高可享年薪共計(jì)55萬(wàn)元人民幣(稅前)。詳情可參見(jiàn):

https://chem.nankai.edu.cn/2021/0704/c24589a378805/page.htm

2.入站后學(xué)校認(rèn)定中級(jí)專(zhuān)業(yè)技術(shù)職務(wù),出站后學(xué)校頒發(fā)博士后證書(shū)。

3.入站后享受?chē)?guó)家和天津市各項(xiàng)博士后政策,包括基金申請(qǐng)、出國(guó)項(xiàng)目申報(bào)等,學(xué)校鼓勵(lì)并支持申請(qǐng)博士后各類(lèi)基金和人才項(xiàng)目;學(xué)校定期召開(kāi)南開(kāi)化學(xué)青年教師論壇,積極搭建學(xué)術(shù)交流平臺(tái);經(jīng)導(dǎo)師和學(xué)校批準(zhǔn),在站期間可帶薪作為聯(lián)合培養(yǎng)博士后去國(guó)際頂尖研究機(jī)構(gòu)從事科學(xué)研究,為博士后營(yíng)造良好的學(xué)術(shù)氛圍和成長(zhǎng)環(huán)境。

4.可根據(jù)《南開(kāi)大學(xué)青年教職工周轉(zhuǎn)住房管理暫行辦法》相關(guān)規(guī)定向?qū)W校申請(qǐng)周轉(zhuǎn)住房。 

5.本人子女入學(xué)(小學(xué))、入托等享受學(xué)校事業(yè)編制教師待遇。 

6.博士后第二聘期結(jié)束前,工作業(yè)績(jī)突出者可通過(guò)崗位評(píng)審程序聘為南開(kāi)大學(xué)教師、特聘副研究員。


應(yīng)聘方式 

1.請(qǐng)應(yīng)聘者將簡(jiǎn)歷及相關(guān)證明材料(文章、成果情況等)通過(guò)郵件,以“應(yīng)聘崗位+姓名”為主題發(fā)送至以下郵箱:liuzunfeng@nankai.edu.cn

2.將以郵件或電話(huà)的方式通知通過(guò)初選的應(yīng)聘者,前來(lái)參加本單位組織的筆試或面試。


劉遵峰教授簡(jiǎn)介

劉遵峰,南開(kāi)大學(xué)教授,國(guó)家杰出青年基金獲得者。研究方向?yàn)槿嵝灾悄芨叻肿永w維材料,包括高強(qiáng)韌人造蜘蛛絲、人工肌肉、柔性電子、柔性制冷等。在 Science , Nat. Commun., Adv. Mater.等國(guó)際學(xué)術(shù) SCI 期刊上發(fā)表研究論文 100 余篇。其中2015年關(guān)于可拉伸導(dǎo)體的研究工作被美國(guó)《Discover Magazine》評(píng)選為2015年度全球TOP100重大科學(xué)發(fā)現(xiàn);2019年關(guān)于“扭熱制冷”的工作發(fā)展了逆轉(zhuǎn)制冷新方法,大幅提高了制冷效率;研發(fā)的水凝膠纖維人造蜘蛛絲強(qiáng)度與韌性性能接近天然蜘蛛絲;基于多種纖維材料等發(fā)展了多種智能織物。發(fā)展了基于零泊松比褶皺結(jié)構(gòu)的彈性導(dǎo)體,構(gòu)建了多層次協(xié)同作用的模擬神經(jīng)傳導(dǎo)、應(yīng)變傳感、驅(qū)動(dòng)為一體的人工肌肉纖維。 多篇關(guān)于柔性健康監(jiān)測(cè)的文章被選為封面文章,受邀撰寫(xiě)多篇綜述,授權(quán)中國(guó)專(zhuān)利8余項(xiàng),在多個(gè)國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)會(huì)議做邀請(qǐng)報(bào)告40余次。


1. Xiang Zhou, Shaoli Fang, Xueqi Leng, Zunfeng Liu,* and Ray H. Baughman*. Power of the Fiber Twist. Acc. Chem. Res. 2021,https://doi.org/10.1021/acs.accounts.1c00112

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3.Yuanyuan Dou, Zunfeng Liu* et al. Artificial Spider Silk from Ion-Doped and Twisted Core-Sheath Hydrogel Fibres, Nat. Commun, 2019, 10, 5293.  

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5. Kaiqing Yu, Xiaozhou Ji, Tianyu Yuan, Yao Cheng, Jingjing Li, Xiaoyu Hu, Zunfeng Liu*, Xiang Zhou*, Lei Fang* Robust Jumping Actuator with a Shrimp-Shell Architecture, Advanced Materials, 2021, 2104558

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