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第一作者：周國安

通訊作者：周國安，姚舒懷，孫慶平

通訊單位：香港科技大學

姚舒懷，香港科技大學機械與航空工程系教授。分別于2000年和2005年在清華大學和斯坦福大學獲得學士和博士學位，并于2008年加入香港科技大學工作至今，現任香港科技大學機械及航空航天工程系教授及建筑與能源研究中心副主任。主要從事微流控和傳熱相關研究。近10年，團隊在Nature Physics, Nature Communications，Science Advances, Physical Review Letters，ACS Nano, Advanced Functional Materials等期刊發表學術期刊100余篇。

孫慶平，清華大學固體力學博士，1989年8月至1991年11月，在清華大學材料科學與工程博士后科研流動站做博士后，曾任清華大學力學系副教授(1991), 教授(1994)， 1995年赴香港科技大學任教，是國家基金委七五，八五，九五力學與材料重大項目的主要參加者，曾任法國教育部客座教授(1994，1996，1998, 2002, 2005)和IUTAM Symposium國際學術委員會主席，曾主持國家”杰出青年基金”(1998-2000) 及國家基金委，香港研究資助局聯合研究基金(2001-03), 現主持多項香港特區政府基礎研究基金，曾獲國際科學數據索引(ISI-SCI)頒發的經典引文獎(Citation Classic Award)(2000)和國家自然科學獎(1995)等。

論文速覽

利用形狀記憶合金進行彈性熱冷卻是很有前途的下一代環保制冷材料。溫度提升（T_lift），即冷卻設備將熱量從低溫源轉移到高溫散熱器的能力，是一項關鍵的性能指標。然而，由于單個彈性熱材料表現出超彈性的溫度窗口較窄（例如，NiTi形狀記憶合金≤50 K），因此，增加現有彈熱學裝置的溫度提升T_lift是困難的。

本研究針對下一代環保制冷技術的需求，開發了一種新型的多材料級聯彈熱學冷卻裝置。該裝置利用形狀記憶合金（SMAs）的彈性熱效應進行制冷，具有無溫室氣體排放、100%可回收和高能效（高達84%卡諾效率）的優點。研究團隊構建了由三種不同奧氏體結束溫度（Af）的NiTi合金組成的級聯裝置，將裝置的超彈性溫度窗口擴展到超過100 K，并在水側實現了75 K的溫度提升（T_lift）。這一成果顯示了多材料級聯彈性熱制冷裝置在未來空間制冷領域的巨大潛力。

圖文導讀

圖1：多材料級聯彈熱質回熱器和性能。

圖2：NiTi制冷劑的溫度相關特性，實驗測量的三個NiTi材料的dσstart/dT與理論計算值的對比。

圖3：多材料級聯壓縮式NiTi再生器的組裝和操作過程。

圖4：單材料、雙材料級聯和三材料級聯再生器的制冷性能。

?總結展望

本研究開發了一種新型的多材料級聯彈性熱制冷裝置，該裝置在水側實現了75 K的溫度提升，超過了現有彈性熱制冷裝置50%以上。研究結果表明，通過合理設計和組裝具有多個相變溫度的多材料級聯彈性熱再生器，可以有效提高彈性熱裝置的溫度提升和再生因子。

此外，研究還發現，隨著活性材料數量的增加，雖然無負載溫度提升增大，但零提升制冷功率減小。本研究為開發具有大溫差提升的彈性熱制冷裝置提供了有效的方法，未來工作可能會考慮在冷端級聯低轉變溫度的SMA，以實現亞零度的彈性熱制冷。

文獻信息

標題：A multi-material cascade elastocaloric cooling device for large temperature lift

期刊：Nature Energy

DOI：10.1038/s41560-024-01537-3

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