裴启兵，Science！
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2024-11-04 08:52
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编辑总结
电致冷材料可以通过电场诱发的相变来泵送热量。然而，设计能够保持大温差的设备具有挑战性。本文设计了一种热泵，使用在电场下也会变形的铁电聚合物层。通过多个聚合物薄膜堆叠的级联结构实现高效的热传递，达到了14K的温度差。这种冷却不需要流体或其他增加系统复杂性的策略。——Brent Grocholski研究背景
电致冷（EC）冷却提供了一种高效且紧凑的固态热泵的前景。然而，现有的EC冷却器具有复杂的结构和有限的冷却温升。在本研究中，美国加利福尼亚大学洛杉矶分校裴启兵教授团队介绍了一种自我再生热泵（SRHP），该热泵使用级联的电致冷聚合物薄膜堆叠，这些薄膜在电场作用下表现出电致伸缩效应，以实现高效的热传递，消除了对额外运输或再生机制的需求。SRHP在30秒内实现了低于环境温度8.8开尔文的冷却，并提供了最高1.52瓦每克的特定冷却功率。SRHP的温度提升达到14.2开尔文。这些结果突显了这种紧凑固态冷却机制在满足日益增长的局部热管理需求方面的潜力。 研究亮点
（1）本研究首次提出自我再生热泵（SRHP）概念，利用铁电聚合物P(VDF-TrFE-CFE)的电致伸缩变形实现有效热传递。通过级联结构的设计，SRHP能够在电场作用下将热量从冷端传输至热端，实现紧凑型的固态冷却。（2）实验通过六个聚合物薄膜堆叠的级联架构，成功实现了14.2K的温度提升，达到8.8K的冷却效果，并在30秒内完成冷却过程，显示出优越的冷却能力。每个薄膜堆叠的背板设计有效地将面内膨胀转换为面外变形，增强了与相邻薄膜的热接触，提升了整体热传递效率。（3）此外，SRHP的设计消除了对额外泵或致动器的需求，减少了能耗和设备体积。该装置的最大特定冷却功率为1.52瓦每克，展示了在紧凑型冷却解决方案中的广泛应用潜力。图文解读
图1. 自再生式热泵self-regenerative heat pump，SRHP的体系结构和运行机制。图2: 电卡Electrocaloric，EC效应和电致伸缩的单元装置工作机制。图3: 自再生式热泵SRHP的冷却温度T和热通量测量。结论展望
SRHP将聚（氟化乙烯-三氟乙烯-氯氟乙烯）的受控电致伸缩变形与聚合物的电致冷加热-冷却循环相结合，展示了紧凑的固态冷却特性。聚合物薄膜的PI背板有效地将面内致动转换为大面外变形，并提供高阻挡力，从而与相邻堆叠形成良好的热接触。相邻电致冷薄膜堆叠之间的直接热接触使得热传递路径中所需的寄生材料最少。在相邻阶段之间的简单反相操作实现了级联结构中的自我再生热传输。该六单元SRHP达到了最大冷却温度8.8K和172mW/cm²的热流。此外，SRHP在达到最大冷却温度时具有30秒的低时间常数，使其在对时间有要求的便携式应用中具有优势，包括在高峰操作中对电子设备的主动冷却以及在极端高温事件中对人体的冷却。热量损失到周围空气中是相当大的，特别是在SRHP的冷端，温度远低于环境温度。提高活性材料的热导率并将其与级联结构中的环境空气绝缘应能显著提高最大冷却温度和冷却功率。在冷却温度为7.4K时，SRHP的性能系数（COP）为10.1，通过三对薄膜堆叠之间的能量回收进行调节。本研究介绍了一种可扩展的电致冷聚合物薄膜及薄膜堆叠的制造工艺，这是实现高设备制造产率和性能的关键。Hanxiang Wu et al. , A self-regenerative heat pump based on a dual-functional relaxor ferroelectric polymer. Science 386, 546-551 (2024).DOI:10.1126/science.adr2268https://www.science.org/doi/10.1126/science.adr2268 纳米人学术QQ交流群
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