電卡效應的案例
納米應力效應在鐵電體中誘導強電卡效應
電卡效應通過電場來誘導鐵電體的相變和偶極熵變、控制材料的吸/放熱過程，可實現熱搬運和制冷。電卡制冷無需危害環境的制冷劑，效率更是壓縮機制冷的3-5倍，且具有體積小和重量輕的特點。電卡效應將為制冷技術的發展帶來革命性突破。
電卡制冷走向實用的關鍵在于高性能電卡材料的制備。鐵電聚合物是實現高性能電卡制冷最具潛力的材料之一，但是其強電卡效應需要較高的電場來激發。另外，聚合物熱導率低，這嚴重制約了電卡材料與制冷器的快速傳熱，限制了其實際制冷效果。
【圖文導讀】
圖1
(a)鐵電聚合物納米線陣列—多孔氧化鋁模板混合型電卡材料示意圖；(b-i) 混合型電卡材料的微觀結構圖。
針對上述挑戰，近日華中科技大學光學與電子信息學院姜勝林教授、張光祖副教授團隊、賓夕法尼亞州立大學Qing Wang教授課題組、Sulin Zhang教授課題組和華中科技大學能源與動力工程學院楊諾教授團隊合作，提出了全新的基于鐵電聚合物納米線陣列—多孔氧化鋁模板的混合型電卡材料（圖1）。通過多孔氧化鋁管壁的納米應力限制效應，鐵電聚合物的結晶度得到提高，與此同時，其極性分子鏈被有序排列（圖2），該納米效應使鐵電聚合物在低場下的電卡強度得到大幅提升，電卡效應超過常規薄膜材料3倍。這大幅降低的電卡材料與制冷器使用所需的電場，極為有利于實際應用。
圖2 納米應力限制效應對電卡聚合物分子鏈進行取向的原理圖
更有意思的是，氧化鋁的熱導率高，是鐵電聚合物的30倍。如圖3，氧化鋁管壁同時為聚合物納米線陣列構筑了傳熱“高速公路”，使電卡效應產生的制冷量能在較短的時間有效的傳遞給熱負載。研究證明團隊提出的混合型電卡材料與制冷器可獲得迄今最高的制冷功率密度。
展開 基于comsol的熱電+電卡制冷仿真分析
image_process=/format,webp/resize,w_219" alt="基于comsol的鋰電池疊片電化學耦合熱分析的圖1" width="219"></span></p><p><br></p><p>隨著十年前凝聚態材料中巨電卡效應( Giant Electrocaloric Effect)的發現,如今電卡制冷技術從材料端到器件端都取得了長足的進展,并成為顛覆性創新研究熱點。由于無需依賴壓縮機目軀動電場能容易回收,電卡制冷器件輕便、無噪聲、易集成,因此有望應用在傳統技術以滿足的一些新需求、新領域中,例如:可穿戴熱管理器件、(數據中心)芯片原位熱管理、電動汽車低能耗熱管理等。</p><p><img src="https://img.jishulink.com/upload/202109/5ac31d4a81a9439d9a72208e7273079e.png" height="515" width="596"></p><p> 電卡效應是凝聚態材料在變化的電場強度下表現出的一種可逆的溫度變化。在電場變化過程中,電介質發生電偶極子嫡變,釋放或吸收相變潛熱。利用電卡材料的這一特性,可以建立與傳統蒸氣壓縮式制冷循環一一對應的電致固-固相變循環。和傳統制冷方式相比,其工作過程不直接釋放溫室氣體;而電能的回收和再利用使電卡制冷技術表現出非常高的循環效率。電卡制冷技術直接使用電場軀動,輕便無噪音、易集成,在可穿戴熱管理、芯片熱管理、分布式局域熱管理、航空航天等領域具有巨大的潛力。
展開 金屬所發現固體龐壓卡效應
倫敦時間3月28日18:00，Nature在線發表了中國科學院金屬研究所科研人員與國內外合作者在固態相變制冷材料研究領域取得的重要進展，在塑晶材料里發現了基于分子取向序的龐壓卡效應，等溫熵變較傳統材料高出了一個數量級。
制冷技術在當今社會工農業生產、日常生活等多個領域均起到了至關重要的作用，聯合國統計數據表明全球每年25-30%的電力被用于各種各樣的制冷應用。而這些應用絕大部分依賴傳統的氣體壓縮制冷技術，普遍使用對環境和人體有害的制冷劑。因此，尋求綠色、環保、低能耗的替代制冷方案已經成為學術界和工業界共同努力的方向。特別地，當前我國高端制冷壓縮機技術仍然欠缺，探索新的制冷技術方案則有望從根源上解決該技術領域的“卡脖子”問題。
近年來，基于固態相變熱效應（caloric effects）的固態制冷技術被認為是最有希望取代傳統氣體壓縮制冷的技術方案。固態相變熱效應主要包括磁卡效應（magnetocaloric effect, MCE）、電卡效應（electrocaloric effect, ECE）、彈卡效應（elastocaloric effect, eCE）以及壓卡效應（barocaloric effect, BCE）。前三者分別源于相應外場對鐵性體系（ferroics）中磁矩、鐵電極化或晶體結構疇的有序度的調控，而后者則常常涉及壓力誘導的晶體結構相變。固態相變制冷材料的性能主要由等溫熵變所描述。固體壓卡效應的制冷循環，如圖1所示。遵循以上的物理認識，經過數十年的發展，主流固態相變制冷材料的等溫熵變提高到了50J kg-1K-1左右，且需要較大的外場，這成為該技術走向應用的障礙。
展開 導熱聚合物材料的發展趨勢：關鍵因素、進展與展望
3.5 電卡冷卻
由于在電介質中發現了巨大的電卡效應，電卡冷卻裝置正在成為一種環保的冷卻替代能源密集型方法。然而，鐵電聚合物材料(如P(VDF-TrFE))的低導熱性限制了它們的電卡冷卻性能。在鐵電聚合物中引入導熱陶瓷，可以有效提高熱釋電膜的面內導熱系數，有利于特定方向的傳熱。
3.6 其它應用
如前所述，電子設備中的熱積累通常對其穩定性和使用壽命有害。因此，高效導熱復合材料的使用不僅是當前電子產品的要求，也是下一代電子設備發展的要求。導熱復合材料在一些新領域的應用也在不斷涌現，如熱電發電機的散熱膜、個人熱管理等。
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結論
本文全面回顧了導熱聚合物復合材料的進展，并概述了技術路線圖。影響其導熱性能的關鍵因素可歸納為:i)導熱填料類型(重點介紹了陶瓷和碳)，ii)導熱填料的形狀、尺寸、長寬比、載荷和取向排列，iii)雜化填料策略，iv)填料功能化，v)三維導熱網絡，vi)聚合物基體，vii)加工技術，viii)外部條件和ix)其他因素(分散和界面)。為了提高聚合物基體的本征導熱系數，可以通過設計和改變分子和鏈結構來獲得特定的物理結構(如取向結構、液晶結構、結晶結構等)，從而獲得具有高本征導熱系數的大分子體系。
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