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南開大學劉遵峰教授與Ray H.Baughman教授合作《Science》: 一種柔性制冷新策略 “扭熱制冷 ”
2019-10-11  來源:藥物化學生物學國家重點實驗室

  2019年10月11日在線出版的《Science》上,南開大學藥物化學生物學國家重點實驗室、藥學院、功能高分子教育部重點實驗室的劉遵峰教授與美國德克薩斯州立大學達拉斯分校(UT Dallas)的Ray Baughman教授領導的國際研究團隊報道了一種柔性制冷新策略—“扭熱制冷”。該研究團隊發現,對纖維加捻可以發熱,而解捻可以獲得很明顯的降溫。該方案可以適用于多種纖維材料,包括橡膠彈性體和剛性纖維,如魚線、編織線、以及鎳鈦合金。初步的實驗證實,卡諾效率達到67%。這意味著通過使用這些普通的材料進行制冷,有望獲得更高的卡諾效率,從而節省更多的電能,并節省制冷成本。

  根據國際制冷研究機構的數據統計,目前世界上使用空調和冰箱制冷所消耗的電能約占全球電能損耗的20%。并且耗電量隨地球變暖和發展中國家制冷的需求增加將繼續增加。傳統的使用空氣壓縮原理進行制冷的技術,其卡諾效率一般低于60%,制冷中釋放出的大量氣體將進一步加劇地球溫室效應。尚無替代方案可以達到該效率,因此探索新型的制冷理論和方案,提高制冷效率是當今科學界亟待解決的問題。此外,進一步降低成本、減小體積也是人們的需求。

  除此之外,目前還有其他的制冷技術。如彈熱制冷、電熱制冷、磁熱制冷、以及鎳鈦合金形狀記憶材料等新型制冷方案。但這些制冷技術的卡諾效率均未超過空氣壓縮制冷技術。

  基于橡膠纖維的“扭熱制冷”優勢是體積小。其所需的體積僅為彈熱制冷的七分之二,而獲得的降溫幾乎相同。將橡膠纖維安裝在盛有水的塑料管狀容器中,使用該“扭熱制冷”技術,橡膠的整體平均降溫為11.3攝氏度,制冷能量密度為19.4 J/g。這幾乎接近于彈熱制冷達到的降溫:拉長7倍的橡膠釋放后降溫為12.2攝氏度,制冷能量密度為-21.6 J/g。更為重要的是,該“扭熱制冷”方案的效率要遠高于彈熱制冷,其相同做功下產生的制冷能量超過彈熱制冷的2倍,“扭熱制冷”的卡諾效率可達67%。

“扭熱制冷”中,對橡膠纖維加捻會生成不同的結構:加捻、部分螺旋、全部螺旋、和超螺旋,橡膠直徑:2.5 mm,預拉伸應變:200%

  “扭熱制冷”技術也適用于剛性高分子纖維和鎳鈦合金。研究人員介紹,橡膠作為扭熱制冷材料,尚存在許多機遇與挑戰。比如它比較軟,需要捻很多圈才能獲得比較明顯的降溫;另外傳熱速度比較慢,還需要考慮材料的反復使用、耐久性等問題。因此該研究團隊探索了其他的“扭熱制冷”材料。

  有趣的是,研究人員發現,該“扭熱制冷”方案也適用于魚線和紡織線。這些普通的材料之前人們并沒有意識到可以用來進行制冷。研究人員先將這些剛性高分子纖維加捻并形成螺旋結構。這些螺旋結構的高分子纖維也曾被用來制備強勁的“人工肌肉”。

  拉伸該螺旋可產生升溫,螺旋縮回后溫度降低。使用這種技術,聚乙烯編織線可以產生5.1攝氏度的降溫,而直接拉伸或釋放編織線幾乎觀察不到溫度變化(<0.1攝氏度)。該聚乙烯纖維的“扭熱制冷”的原理是螺旋收縮過程中,螺旋內部捻度降低,這導致了纖維中的馬氏體轉變成奧氏體,從而導致能量的變化。這些比較堅硬的材料,比橡膠纖維更為耐久。而且在形變很小的情況下,相同形變下的降溫比橡膠的要大。當然這些新的發現還處于萌芽階段,距離真正使用還很遠,尚需要科研人員對材料進行更多、更充分的研發。

  研究人員還發現,“扭熱制冷”技術也能用于鎳鈦形狀記憶合金。使用鎳鈦合金絲進行“扭熱制冷”,加入比較低的捻度,就獲得了比較好的降溫;此外,鎳鈦合金絲的傳熱比較快,用來進行制冷也可以獲得比較快的速度。

  將四根鎳鈦合金絲放在一起加捻,解捻后最大降溫點可以獲得20.8攝氏度的降溫,整體平均降溫也可以達到18.2攝氏度。這要略高于使用“彈熱制冷”技術獲得的降溫(17.0攝氏度)。一個制冷周期,大概只有30秒左右。

  研究人員基于該“扭熱制冷”技術,制作了一個空調模型,可以對流動的水進行降溫。使用三根鎳鈦合金絲作為制冷材料,解捻0.87 turns/cm可以獲得7.7攝氏度的降溫。

“扭熱制冷”過程中,天然橡膠纖維顯示的溫度變化。橡膠直徑為2.2mm

  使用“反向螺旋”結構可獲得“反扭熱制冷”效應。將纖維加捻后繞成螺旋,如果纖維的加捻方向與制備的螺旋方向相反,可以制成“反向螺旋”。與常規的“扭熱制冷”效應不同,這種“反向螺旋”結構的橡膠彈性體和魚線,在拉伸下會降溫,這種新奇的現象稱為“反扭熱制冷”效應。經過研究,這種“反扭熱制冷”效應的原理是,“反向螺旋”拉伸后會導致纖維內部捻度降低。這與“扭熱制冷”恰好相反。在“扭熱制冷”效應中,加捻方向與螺旋方向相同,拉伸會導致纖維內部捻度增加。

“扭熱制冷”的周期性溫度分布。具有螺旋結構天然橡膠纖維被拉伸后(上圖)和釋放拉伸后(下圖)的紅外圖像和光學圖像。紅色表示加熱,藍色表示降溫

  “扭熱制冷”變色。“扭熱制冷”效應的另外一個特殊現象是沿著纖維方向的周期性空間溫度變化。這是由于纖維加捻產生的螺旋沿纖維長度方向的周期性分布所致。

  研究人員將鎳鈦合金絲表面涂覆熱致變色涂料,可以制成“扭熱制冷”變色纖維。在加捻和解捻過程中,該纖維會發生可逆的顏色變化。它可以用作新型傳感元件,對纖維捻度進行遠程光學測量。比如,通過肉眼觀察顏色的變化,就可以知道遠處的材料轉了幾圈,這是一種非常簡易的傳感器。

  此外,該“扭熱制冷”變色纖維也可以通過在聚乙烯纖維螺旋表面涂覆熱致變色涂料制成。這種纖維可以被用作可穿戴、肉眼可讀的傳感器,以及智能變色織物。比如,通過將纖維拉長一點點,使它的顏色發生變化,就可以給遠處的人發出信號,傳遞各種信息,比如危險信號、需要求助、是否可以通行等等。做在衣服里面,通過長度變化來進行變色,就像羽毛可以變色的鳥兒一樣,成為一種新潮的裝飾或衣服等。

利用“扭熱制冷”實現顏色變化的纖維。表面涂覆有熱致變色涂料的鎳鈦合金絲加捻和解捻后的顏色變化圖像

  以上研究發現的這種新型制冷技術,為制冷領域擴充了一個新的板塊。其獲得的卡諾效率達到了67%,高于目前常用的空氣壓縮原理制冷獲得的效率。該方案廣泛適用于多種常用的纖維材料,比如橡膠、魚線、編織線、鎳鈦合金等,將為降低制冷領域的能源損耗提供一種新的可能的途徑。使用這些新的材料進行“扭熱制冷”,也為開拓其他應用領域提供新的可能。

  論文鏈接:https://science.sciencemag.org/content/366/6462/216

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(責任編輯:xu)
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