来源：高分子科学前沿
电致冷（EC）冷却为高效、紧凑型固态热泵提供了一种前景广阔的方法。然而，已报道的电致冷器结构复杂，冷却温度提升有限。
在这项工作中，裴启兵教授课题组介绍了一种自再生热泵（SRHP），它采用了级联的电致发光聚合物薄膜堆，在电场的作用下产生电致伸缩，从而实现高效的热传递，无需额外的传输或再生机制。SRHP可在30秒内冷却至低于环境温度8.8开尔文，最大冷却功率为每克1.52瓦。SRHP的升温幅度为14.2开尔文。这些结果凸显了紧凑型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。相关研究成果以题为“A self-regenerative heat pump based on a dual-functional relaxor ferroelectric polymer”发表在最新一期《Science》上。
1、SRHP的设计
作者展示了SRHP的结构示意图（图1A），SRHP由六个单元装置组成，每个装置由双层P(VDF-TrFE-CFE)聚合物薄膜制成，两侧层压碳纳米管(CNT)电极以形成活性电热(EC)层。该设计包括用于结构支撑的聚酰亚胺(PI)胶带和聚碳酸酯(PC)环，使每个堆栈能够响应电场执行受调节的电致伸缩驱动。PI层提供机械稳定性，并将聚合物的横向膨胀转化为垂直驱动，这对于有效的热接触至关重要。该横截面图（图1B）展示了SRHP的级联架构如何促进单向热流。交替堆栈以反相方式激活（例如，堆栈1、3和5处于活动状态，而堆栈2、4和6处于非活动状态）。电场引起的膨胀使每个有源堆叠向下变形，接触下面的下一层以传递热量。这种驱动对于保持平稳、连续的热传递至关重要，而无需额外的机械泵或执行器。这种配置使得流线型热泵能够在加热和冷却阶段之间有效地循环。
图 1. SRHP的架构和运行机制
2、P(VDF-TrFE-CFE)薄膜叠层
作者展示了P(VDF-TrFE-CFE)薄膜在非活动（平坦）和活动（凸出）状态下的外观。该聚合物的电致伸缩特性使其在施加电压时能够明显变形，显示出其可逆膨胀的能力。薄膜叠层（图2B）响应电场应用而变形，偶极子沿电场方向排列，从而导致热膨胀。当场停止时，薄膜恢复到中性、平坦的形状，对应于冷却状态。该图强调了聚合物的双重功能：通过EC效应产生热量并通过电致伸缩驱动传递热量。此外，薄膜叠层的垂直位移在80MV/m时达到1.27mm。在中心点记录位移，显示堆栈的显着驱动能力，可在整个循环中保持一致的性能。红外热图像（图2D）显示了施加电场然后移除电场时薄膜的温度变化。温度在“开启”阶段（加热）期间迅速升高，在“关闭”阶段（冷却）期间迅速下降，这表明EC聚合物实现了快速的热响应时间，这是有效冷却循环的关键特征。作者提供了0.01Hz、80MV/m场下薄膜温度的实时图。当场处于活动状态时，观察到峰值增加4.42K，而当场处于非活动状态时，观察到峰值增加4.42K。这种可逆行为证实了聚合物的EC效应，从而能够在每个周期内进行温度调节。
图 2. 结合EC效应和电致伸缩的单元装置的工作机制
3、SRHP 的操作
组装后的SRHP，其中六个独立单元堆叠在一起，并以计算出的0.95毫米的间距分隔开，确保每个堆叠在运行过程中都有必要的位移空间。间距优化了薄膜叠层之间的接触，避免了阻碍热传递的弯曲或分离。在冷却模式下，冷端电堆的温度曲线随着时间的推移稳步下降，在80MV/m下实现了8.8K的温降。热端温度升高，表明热泵成功从冷端通过级联级到达散热器。SRHP和散热器之间的热通量，峰值为366mW/cm²。时间平均热通量稳定在172mW/cm²左右，考虑到活动面积，该值可转化为0.78W的冷却功率，比冷却功率为1.52W/g，这表明SRHP能够保持稳定、高的热通量。热通量超过150mW/cm²的高值，即使冷却温度增至7.4K。这一性能超过太阳辐射功率的1.5倍，证明了SRHP在以下条件下的冷却效率：无外部负载，非常适合暴露于环境加热条件下的应用。
图 3. SRHP 的T冷却和热通量测量
4、能源消耗和性能系数 (COP)
图4总结了具有两个、四个和六个单元的SRHP的冷却功率和最大温降。六单元配置提供最高的冷却功率和温降，证实了级联设计的可扩展性。1Hz的频率可实现峰值冷却性能。较高的频率会增加循环次数，但也会引入热限制，这表明冷却功率受益于频率和传热率之间的平衡。此外，电场强度与SRHP冷却能力之间的直接相关性。较高的场强会增加冷却功率，这表明SRHP的性能可预测地随施加电压变化，这是优化功率输入的有用信息。作者将SRHP的性能与其他冷却技术进行了比较，显示特定冷却功率比具有相似温降的同类热电冷却器高五倍。这一比较凸显了SRHP卓越的冷却速率和功率效率，支持其在需要快速热管理的应用中的实用性。在三对薄膜叠层之间进行电荷循环时，冷却温度为7.4 K 时，COP 为 10.1。
图 4. 确定 SRHP 的最佳运行参数
SRHP利用P(VDF-TrFE-CFE)薄膜的电致冷和电致伸缩特性，实现了高效、紧凑和灵敏的冷却。作者揭示了一个针对快速冷却、高COP和特定冷却功率进行了优化的强大系统，使其成为体积更大、效率更低的冷却技术的可行替代品。它的潜在应用范围很广，从高峰运行时的局部电子冷却到极端高温下的个人冷却解决方案，满足了现代人对可持续、高性能热管理系统的需求。
