破解弹热制冷材料“效能-稳定性”核心难题

导语：在全球应对气候变化、追求“双碳”目标的今天，传统蒸汽压缩制冷技术因其高能耗和温室气体排放而面临严峻挑战。固态制冷技术，特别是利用形状记忆合金弹热效应的制冷方式，被视为极具潜力的替代方案。然而，该领域长期存在一个“权衡”魔咒：高驱动应力、低能效与循环稳定性难以兼得。近日，厦门大学Yang SY领衔研究团队在这一领域取得重大突破，他们通过巧妙的成分调制，设计出一种新型单晶合金，以极低的驱动应力，同时实现了超高的制冷效率和惊人的稳定性，为新一代高效、环保、紧凑型制冷系统铺平了道路。

当前，数以十亿计的空间制冷系统严重依赖传统的蒸汽压缩技术，其使用的制冷剂是温室气体的重要来源之一。发展零排放、高能效的替代冷却技术迫在眉睫。

在众多候选技术中，基于形状记忆合金弹热效应的固态制冷技术备受瞩目。其原理是利用材料在应力诱导下发生马氏体相变时，会吸收或释放热量（即弹热效应）来实现制冷。

评价材料弹热制冷潜力的一个关键指标是材料性能系数（COPmat），它等于冷却能力与耗散功的比值。理想的材料应具备大的可回复应变（以产生足够的制冷量）、低的应力滞后（意味着低的能量损耗）和低的驱动应力（以降低系统能耗和体积）。

但问题在于，这些性能参数往往相互矛盾：

- 为了获得大的可回复应变，需要完全诱发马氏体相变，但这通常会导致显著的应力滞后和耗散功增加。

- 以往研究通过设计准线性行为的NiTi基合金降低了滞后，但其驱动应力往往超过600 MPa甚至1 GPa，需要复杂、笨重、高功耗的驱动器，背离了制冷系统紧凑、高效的发展方向。

这形成了一个艰难的双重“权衡”：“应变-耗散功”的权衡与 “驱动力-COPmat”的权衡。如何同时打破这两个权衡，成为该领域研究者追逐的“圣杯”。

二、 破局之作：性能“全能”的Cu-Zn-Al-V-Si单晶合金

面对这一挑战，厦门大学研究团队报道了一种成分为Cu-18Zn-8Al-0.3V-0.3Si（重量百分比）的单晶合金。该材料展现出了一系列令人惊叹的综合性能：

* 超低能耗与超大应变：在仅251.1 MPa的极低驱动应力下，实现了高达13% 的可回复应变，而应力滞后仅为8 MPa，耗散能低至2.2 MJ/m³。这意味着它用很小的“代价”，完成了很大的“形变功”。

* 超高制冷效率：其材料性能系数（COPmat）高达17.4，远超大多数已报道的弹热制冷材料，处于性能图谱的顶尖位置。

* 卓越的稳定性：在7%应变下经过800次快速加卸载循环后，其弹热冷却性能（ΔTad = 5.1 K）没有出现任何衰减。这与目前一些循环几十次后性能就显著下降的铜基材料形成鲜明对比。

这些数据表明，该合金成功地同时克服了“应变-耗散功”和“驱动力-COPmat”这两个长期存在的权衡难题，实现了强度、效率与稳定性的完美统一。

三、 “神来之笔”：成分调制与独特的微观结构

如此卓越的性能，根源在于研究团队通过精密的成分设计（添加V和Si），在材料内部构筑了一种独特的微观结构。

先进的三维原子探针和透射电镜分析揭示，该合金的母相（奥氏体）并非均匀结构，而是由两种关键区域组成：

1. 有序畴：近球形的纳米级有序区域（约占16%，平均尺寸约32 nm），其内部Zn浓度略高。这些有序畴来源于V和Si的添加，它们共同偏聚形成团簇，有效提高了Zn在基体中的局部固溶度，从而诱导了有序畴的形成。

2. 畸变区：充斥着18R长周期堆垛有序结构的区域，是晶格畸变的主要来源。这些畸变区为后续马氏体的形核提供了大量有利位置。

这种由成分调制产生的“有序畴”与“畸变区”复合结构，是实现高性能的物理基础。

四、 性能之源：非孪晶马氏体的关键作用

在应力诱导下，这种独特的母相结构转变为马氏体时，展现出了更关键的特征：

* 从有序畴中转变产生的是弥散分布的单马氏体板条。

* 从畸变区中转变产生的是一种特殊的非孪晶马氏体。

“非孪晶马氏体”的形成是实现低耗散功和高稳定性的关键。

在传统马氏体相变中，通常会形成多种不同取向的“变体”以协调应变，变体之间会形成孪晶界。这种“自协调”过程会产生巨大的内摩擦和能量耗散。

而在本研究的设计中：

* 畸变区提供了大量形核点，大大降低了形核势垒，使得马氏体无需长程迁移即可快速生长。

* 在从有序畴转变而来的单马氏体板条的引导和约束下，畸变区中形成的马氏体倾向于成长为单一取向的非孪晶变体。

这种非孪晶马氏体避免了不同变体之间复杂的相互作用和孪晶界的形成，极大地减少了相变过程中的阻力与额外能量消耗，从而实现了极低的应力滞后（8 MPa）和耗散功。同时，这种转变是可逆的，即使在循环过程中有少量位错在界面处累积，也不会导致 irreversible 的残余马氏体产生，从而保证了超高的循环稳定性。

研究还发现，V和Si的含量对微观结构的演变至关重要。只有当V和Si的含量精确控制在0.3%时，才能形成这种“弥散分布的有序畴”与“畸变区”的理想组合，从而获得最优的综合性能。过多或过少都会导致有序畴富集或形态改变，进而损害性能。

 五、 未来展望：迈向绿色、高效的下一代制冷技术

这项研究不仅展示了一种性能卓越的弹热制冷材料，更重要的是提供了一种通过成分调制来精细调控微观结构，进而协同优化材料性能的创新策略。

这种低驱动应力、高效率、高稳定性的材料特性，使得开发紧凑、节能、高可靠性的商业化弹热制冷系统成为可能。未来，这种技术有望应用于微型电子芯片冷却、高效家用空调、汽车空调等领域，为减少温室气体排放、实现绿色低碳发展提供强大的技术支撑。

结语：

厦门大学的研究团队通过精妙的材料设计，在Cu-Zn-Al基合金中利用V和Si实现了成分调制，创造了“有序畴”与“畸变区”共存的独特微观结构，并成功诱导了关键的非孪晶马氏体相变。这项工作一举攻克了弹热制冷材料领域长期存在的核心难题，将材料的驱动应力、制冷效率和循环稳定性同时推向了新的高度。