科學(xué)合肥物質(zhì)固體所與浙江巨化裝備工程集團(tuán)有限公司、東莞理工學(xué)、工程物理研究核物理與化學(xué)研究所等合作，在塑性離子導(dǎo)體材料 Ag2Te1-xSx中發(fā)現(xiàn)了高能量密度的壓卡效應(yīng)。該材料在單位壓力下表現(xiàn)出的壓卡性能顯著優(yōu)于目前已知的絕大多數(shù)無機(jī)壓卡材料。相關(guān)研究成果以"ColossalWWW.SHSAIC.NET Barocaloric Strength in/WWW.shhzy3.cn Plastic Ag2Te1-xSx with High Density"為題發(fā)表于Advanced Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.202519224)上。
 
  制冷技術(shù)革新是人類文明進(jìn)步的重要標(biāo)志。當(dāng)前廣泛采用的氣體壓縮制冷技術(shù)依賴的制冷劑多為強(qiáng)溫室氣體，與全球綠色低碳發(fā)展趨勢(shì)相悖，且經(jīng)過上百年的發(fā)展，該技術(shù)能效已接近理論極限。相比之下，壓卡制冷技術(shù)利用固態(tài)材料在等靜壓作用下的熵變或溫變實(shí)現(xiàn)制冷，不僅環(huán)境友好，理論能效也更高，被認(rèn)為是替代傳統(tǒng)制冷方案的有效候選技術(shù)。然而，當(dāng)前該領(lǐng)域研究多聚焦于提升材料的質(zhì)量熵變，對(duì)體積熵變及其實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的關(guān)注相對(duì)不足。
 
  更高的體積熵變意味著實(shí)現(xiàn)相同制冷量所需的材料體積更小，將直接推動(dòng)承載容器的小型化。研究團(tuán)隊(duì)通過有限元模擬證實(shí)，在相同制冷量和等靜壓下，承載容器尺寸的縮小會(huì)顯著增強(qiáng)其抗壓性能，進(jìn)而為容器壁厚有效減薄提供可能，*終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的二次減重。這一模擬結(jié)果表明，高能量密度壓卡材料在實(shí)現(xiàn)制冷系統(tǒng)輕量化與緊湊化方面具備巨大潛力。然而，目前已知材料的體積熵變值普遍偏低，制約了其實(shí)際應(yīng)用。
 
  為解決這一難題，上海新躍儀表廠研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種*高密度Ag2Te1-xSx材料。研究表明，在僅70 MPa的中等驅(qū)動(dòng)壓力下，該材料實(shí)現(xiàn)了0.478 J·cm-3·K-1的可逆體積熵變，刷新了當(dāng)前無機(jī)壓卡材料的*紀(jì)錄。其壓卡強(qiáng)度高達(dá)6.82 mJ·cm-3·K-1·MPa-1，不僅遠(yuǎn)多數(shù)已報(bào)道的無機(jī)壓卡材料，甚至優(yōu)于新戊二醇等經(jīng)典的有機(jī)龐壓卡材料。進(jìn)一步研究表明，該材料巨大的體積壓卡效應(yīng)源于壓力誘導(dǎo)的立方相至單斜相結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變(相變時(shí)晶格體積變化約為5.4%)，以及相變過程中銀離子擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)的顯著變化。值得一提的是，上海儀表四廠該材料體系還具備較高熱導(dǎo)率(2.02–2.28 W·m-1·K-1)，有助于實(shí)現(xiàn)高效熱交換，進(jìn)而提升制冷效率；同時(shí)，還顯示出良好塑性，可輕松加工成1毫米級(jí)小球或0.5毫米以下薄片；更重要的是，經(jīng)過劇烈塑性變形、熱沖擊循環(huán)及反復(fù)壓力加載/卸載后，壓卡性能仍保持穩(wěn)定，顯示出優(yōu)異的服役可靠性。
 
  該研究明確了能量密度在推動(dòng)壓卡制冷系統(tǒng)小型化與輕量化的關(guān)鍵作用，并研發(fā)了*Ag2TeWWW.SHSAIC.NET、1-xSx固態(tài)壓卡材料，實(shí)現(xiàn)了體積壓卡效應(yīng)、力學(xué)加工性能和熱學(xué)性能的協(xié)同優(yōu)化，為下一代綠色制冷技術(shù)的開發(fā)提供了新的思路與材料平臺(tái)。
 
  劉可可、張雪凱、施國(guó)有為論文的共同*作者，童鵬、林建、房雷鳴為本文通訊作者。此項(xiàng)研究工作得到*自然科學(xué)基金、安徽省自然科學(xué)基金、合肥物質(zhì)長(zhǎng)基金等項(xiàng)目的資助。
 
圖：壓力容器重量與體積熵變關(guān)系，Ag2Te的壓卡性能與機(jī)理