论文标题：A hot future for cool materials（前沿观点：冷却材料的未来）

期刊：Frontiers in Energy

作者：Xavier MOYA, Neil D. MATHUR

发表时间：26 Oct 2022

DOI：10.1007/s11708-022-0854-4

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01 摘要

对热泵的广泛需求迫使人们不断寻找提高能源效率的方法，以进一步减少对环境的影响。最近的 Calorics 2022 会议上讨论了基于卡路里材料的热泵设备，这些热泵设备提供了一种有趣的气体燃烧加热和蒸汽压缩冷却替代方案。

02 背景介绍

由热力学第二定律可知，泵送热量需要能量，这导致人工加热和冷却成为目前全球最大的碳排放源之一。因此，采用节能的、环境友好的热泵设备替代传统的加热和冷却方法是非常有必要的。Calorics 2022会议上讨论了卡路里材料、测量和装置的进展(图1)，该会议计划每两年举行一次。

图1 2000-2021年期间每年关于热量材料和装置的出版物数量。

热量效应可细分为磁热效应、电卡效应和机械卡效应，它们分别是由于磁场、电场和机械场的变化而在磁性、电性和机械响应性材料中产生的，由此可以确定三种主要类型的热量效应。迄今为止，应用于研究中的大多数机械卡效应被细分为由单轴应力驱动的（弹卡效应）和由静水压力驱动的（压卡效应）。

03 磁热材料与热泵

大多数表现出磁热效应的材料都利用一级磁结构相变。磁滞可以转化为机械滞后（Vitalij Pecharsky, 艾姆斯实验室）、电子相关性和自旋涨落对潜热的影响（藤田浅也，国家先进工业科学技术研究所）。

近几十年来，磁热材料已被用于泵送接近室温的热量 (293 K)。例如，基于钆中的二级相变或 La-Fe-Si-Mn-H 中的一级相变的磁热热泵可以实现1 kW的冷却功率(Christian Bahl, 丹麦技术大学)。令人鼓舞的是，磁热酒冷却器(Max Fries, MagnoTherm Solutions, Darmstadt) 的开发克服了涉及传热、腐蚀和机械稳定性方面的各种挑战。

04 电热材料与热泵

被广泛研究的电卡材料是钙钛矿氧化物。这些材料的多层电容器结合了多个薄层，可以在不击穿的情况下施加大电场。最近，人们通过各种理论方法对电卡材料进行了研究。例如，分子动力学模拟被用于优化微结构(Anna Grünebohm, Ruhr-University Bochum)，局部性质已经通过相场模拟(Jamian Hu, 威斯康星大学麦迪逊分校) 得到阐明。

目前，越来越多的电卡热泵正在被开发中。利用多层电容器可以更好地实现能量收集(Alvar Torelló, 卢森堡科学技术研究所)。电卡制冷、热泵装置对所做电功的恢复程度越高，其效率越可观，而使用电卡多层电容器能够实现88%的电功恢复(Morgan Almanza, 巴黎萨克雷大学)。

05 弹性热材料与热泵

人们对具备弹卡性能的多晶和单晶进行了大量的研究。新型的动力学方法可以探测各种量子材料的低温弹卡效应：在TmVO₄中观察到向列相涨落(Ian Fisher，斯坦福大学)；并构建了超导Sr₂RuO₄的熵-温度-应变图(Andreas Rost，圣安德鲁斯大学)。

弹卡热泵通常在压应力或拉应力下利用镍钛合金，但铜基合金也很有前景(爱荷华州立大学艾姆斯实验室)。例如，张力可以用来驱动镍钛金属丝的弹卡效应(Stefan Seelecke，萨尔兰大学)，而压缩可以用来驱动镍钛管中的弹卡效应，这些镍钛管要么以束形式存在(Jun Cui，艾姆斯实验室/爱荷华州立大学)，要么以管状结构存在(Jaka Tušek，卢布尔雅那大学)。

06 压卡效应

气压热效应发生在各种类型的材料中。例如，混合有机-无机钙钛矿在室温附近表现出巨大的正压卡效应（Pol Lloveras，加泰罗尼亚理工大学）；塑晶材料表现出巨大的正压卡效应，可以使用朗道理论进行建模（Gian Guzmán-Verri 哥斯达黎加大学）。然而，压力热装置还处于起步阶段，传热是其发展过程中的一个关键问题（Enric Stern Taulats 巴塞罗那大学）。

07 总结与展望

文中讨论的不同卡路里材料各有优缺点，以此确定哪种类型的卡路里材料最适合特定应用还为时过早。任何卡路里效应制冷技术的成功推出都将使卡路里效应研究领域取得巨大的进步。如果磁热酒柜（Max Fries，MagnoTherm Solutions，Darmstadt）能够在未来两年内推出，那么我们有希望在Calorics 2024会议上得到使用。

08 原文信息

A hot future for cool materials

Xavier MOYA*, Neil D. MATHUR*

Author information:

Department of Materials Science, University of Cambridge, Cambridge CB3 0FS, UK

Cite this article:

Xavier MOYA, Neil D. MATHUR. A hot future for cool materials. Front. Energy, https://doi.org/10.1007/s11708-022-0854-4

09 作者简介

Neil D. Mathur博士是英国剑桥大学材料科学与冶金系的教授，同时也是美国物理学会会士，剑桥大学丘吉尔学院院士。其主要研究方向为：薄膜器件物理学、多铁性和磁电薄膜材料、电卡效应、磁性材料及自旋电子学等。Mathur教授研究组处于本领域的世界先进水平，近10年来相关论文的他引次数超过5000次。

详细介绍：https://www.msm.cam.ac.uk/people/mathur

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