NEWS
IJSNM副主编加州大学洛杉矶分校裴启兵教授课题组在Science发表了 A self-regenerative heat pump based on a dual-functional relaxor ferroelectric polymer。加州大学洛杉矶分校博士后吴瀚翔、博士生祝媛、博士后颜文忠为共同第一作者。
文章内容
Electrocaloric cooling（EC）电卡制冷技术呈现出一种高效、紧凑的固态热泵方案。然而，现有的EC制冷器具有复杂的结构和有限的制冷温度提升。在这项研究中，作者介绍了一种使用EC聚合物薄膜层叠级联的自再生热泵（Self-Regenerative Heat Pump，SRHP）。这些层叠具有对电场的电致收缩作用，用于实现高效热传递，无需额外的传输或再生机制。充分利用P(VDF-TrFE-CFE)薄膜的电致伸缩形变，形成与材料的电卡循环天然同步的热传输机制，从而实现高效且紧凑的固态制冷。SRHP在30秒内展示了比环境温度低8.8开尔文的制冷效果，并提供了每克1.52瓦特的最大比冷却功率。SRHP的温度提升为14.2开尔文。这些结果突显了紧凑型固态制冷机制在解决对局部热管理日益增长的需求方面的潜力。
图1：自我再生热泵（SRHP）的结构和工作原理
图1展示了SRHP的级联结构。薄膜层叠包括两个厚度为50微米的P(VDF-TrFE-CFE)三元聚合物薄膜，与喷涂的碳纳米管（carbon nanotube, CNT）电极层覆盖在薄膜表面两侧。由重叠的CNT电极定义的活动区域呈直径为2.4厘米的圆形。一个厚度为25微米的聚酰亚胺（polyimide, PI）胶带与一个直径为2.8厘米的圆同心地连接在薄膜层叠的活动EC区域上。一个厚度为500微米、内径为3.6厘米的聚碳酸酯（polycarbonate, PC）环用于支撑薄膜层叠。此外，当将单元器件堆叠在一起形成SRHP时，附加了两个相反方向放置的C形间隔物以进行间隔调整，通常由六个单元设备组成。
图2：集成了电卡效应和电致伸缩效应的单元器件的工作原理
图2A展示了在未施加电压和施加电压时的薄膜层叠。P(VDF-TrFE-CFE)是一种在室温下表现出巨大电电效应的弛豫铁电聚合物。我们假设施加的电场将导致P(VDF-TrFE-CFE)中具有局部偶极矩的短转序列部分重新定向为与电场方向对齐的长转序列，从而导致偶极熵的大幅减少。同时，聚合物链需要在横向方向延伸以容纳对齐的偶极矩。然而，邻近的聚合物链限制了长转序列的横向扩展以达到一个稳定（更长）的结构，例如PVDF中的β相，为偶极翻转回原位提供驱动力。这种可逆的构象转变是P(VDF-TrFE-CFE)同步电电效应和电致收缩的微观起源，宏观上表现为在受到电场作用时聚合物薄膜的温度可逆变化和面积扩展，如图2B所示。大面内扩展通常导致薄膜出现不规则的褶皱或皱纹。PI胶带提供了类似于弯曲双层梁的机械偏差（杨氏模量约3 GPa），导致薄膜层叠的大面外变形。
图3：SRHP的制冷性能
图3A展示了由六个单元器件级联组成的SRHP。薄膜层叠之间的间隔为0.95毫米，小于它们在80MV/m下的垂直行程。这一间隔是在考虑了两个相邻薄膜层叠之间的接触剖面后确定的。在激活薄膜层叠下面的非激活薄膜层叠（以80MV/m驱动）的位移在三个位置（距离活动区域中心0、6和12毫米处）进行了测量。当间隔等于或大于0.95毫米时，位移与距离中心的曲线是单调的，表明两个薄膜层叠的整个活动区域之间形成了平滑的弧形接触。然而，当间隔小于0.95毫米时，曲线变得非单调，表明上层叠的上屈曲或甚至两个薄膜层叠之间部分分离。
图4：SRHP的参数优化及性能对比
图4A总结了在零负载条件下两个、四个和六个单元SRHP在70MV/m和1Hz工作时的最大T冷却和时间平均最大冷却功率。在效率达73%的能量回收电路加持下，6层级联制冷器件在7.4K的制冷温差（Tcooled）下的卡诺效率可达26%（COP为10.1），其总功耗仅为73mW。该器件的综合最优工作频率为1Hz。与其他电卡制冷器件相比，SRHP同时具有高制冷温差（Tcooled=8.8K）和单位质量制冷功率（specific cooling power = 1.52W/g）的特点。尽管更高的操作频率导致单位时间内更多的循环，从而获得更大的冷却功率，但薄膜层叠之间的传热速率是一个限制因素。
总结
SRHP将P(VDF-TrFE-CFE)的可控电致收缩变形作为可靠的传输机制与聚合物的同时电电加热-制冷循环结合，展示了紧凑的固态制冷。PI背衬层有效地将电致聚合物薄膜的面内驱动转化为具有高阻挡力的大面外变形，以形成与相邻层叠良好热接触。相邻的薄膜层叠之间的直接热接触允许在传热路径中使用最少量的寄生材料，能够满足包括电子设备在高峰运行时的主动散热和在极端高温事件中对人体的散热需求。本研究介绍了一种可规模化的电卡聚合物薄膜及单元器件的制造工艺，有利于提升相关技术和工艺的高产能和性能。
课题组介绍
裴启兵教授任加州大学洛杉矶分校材料科学与工程系和机械工程系双聘教授。他致力于研究功能性聚合物和纳米复合材料，在国际高水平期刊已发表论文220多篇，获美国专利授权45项。他所带领的加州大学洛杉矶分校软材料研究实验室主要研究人工肌肉、柔性电子材料、塑料闪烁体和电热冷却装置。裴启兵教授于南京大学获得化学学士学位，中国科学院化学研究所获得博士学位，后加入瑞典林雪平大学开展博士后研究。自2004年以来，成为加州大学洛杉矶分校的全职教授。裴启兵教授是国际光学工程学会会士（SPIE Fellow），美国化学会（ACS）和美国材料研究学会（MRS）会员，Smart Materials & Structures、Soft Robotics、Advanced Electronic Materials和Scientific Reports的顾问或编辑委员会委员。
裴启兵教授带领的软材料课题组（Soft Materials Research Laboratory, SMRL）致力于合成聚合物和复合材料在先进电子、机械和光子设备中的研发。目前的主要研究课题包括：可拉伸电子学，该领域开发透明复合导体、柔性和可拉伸的聚合物电子器件；人工肌肉，研究介电弹性体和双稳电活性聚合物，展示出电诱导应变大于50%；纳米复合材料，将高-Z纳米颗粒与共轭发光聚合物结合，用于辐射闪烁；以及具有高导热性或用于柔性电电冷却的介电材料。SMRL占据2500平方英尺的实验室空间，分为三个独立的房间，用于有机/聚合物合成、材料表征和电子器件制备，以及材料加工和电机械器件制备。
IJSNM
扫码阅读原文｜
点击蓝字 关注我们｜
