電動卡片制冷利用電介質(zhì)電容器的充電和放電工藝，實(shí)現(xiàn)高理論效率的制冷循環(huán)。從2006年到2008年，電卡（EC）在全球范圍內(nèi)，瓷器和聚合物的發(fā)明備受關(guān)注。目前對EC設(shè)備的研究表明，EC設(shè)備具有高能量可逆性(>90%)、驅(qū)動電場能量回收效率高(>80%)、具有驅(qū)動方法簡單、器件結(jié)構(gòu)簡單、理論制冷功率密度高等優(yōu)點(diǎn)。另外，廣泛使用的EC瓷器和聚合物可以適應(yīng)現(xiàn)有的大規(guī)模生產(chǎn)工藝，例如多層陶瓷電容器（MLCC）和卷對卷(R2)R），所以EC制冷被認(rèn)為是一種有前途的固體工業(yè)制冷。

EC設(shè)備以瓷器和聚合物為基礎(chǔ)，通過設(shè)計(jì)主動電熱再生循環(huán)（AER）經(jīng)驗(yàn)證，該循環(huán)是通過流-固和固-固共邈傳熱來實(shí)現(xiàn)的。這類設(shè)計(jì)能達(dá)到較大的溫度跨度，具有與傳統(tǒng)蒸汽壓縮制冷相媲美的潛力。EC制冷器的另一個重大突破是基于靜電驅(qū)動的聚合物薄膜制冷器的演示，可用于許多不適用于傳統(tǒng)技術(shù)的空間和重量限制嚴(yán)格的應(yīng)用。只使用有限的主動冷卻材料，級聯(lián)膜EC設(shè)備完成了驚人的冷卻功率78.5 mW·cm?2。但是，當(dāng)EC材料需要大量的EC材料來進(jìn)一步提高總冷卻功率時，EC工作體必然會變得更厚，并且需要更長的時間才能完全傳熱。因此，在研究領(lǐng)域，EC材料比廣泛使用的導(dǎo)電材料具有更大的電制冷效果和導(dǎo)熱系數(shù)，從而維持甚至增加循環(huán)頻率，從而提高制冷功率。

雖然EC高聚物在許多獨(dú)特的制冷應(yīng)用中發(fā)揮了作用，因?yàn)樗鼈児逃械娜犴g性、低密度和電氣穩(wěn)定性，但它們的低熱導(dǎo)率(0.2 W·m?1·K?第一，對實(shí)際冷凍設(shè)備的理論效率提出了挑戰(zhàn)。另外，為了達(dá)到令人滿意的制冷性能，現(xiàn)有的EC高聚物仍然需要極高的電場。納米復(fù)合材料是一種可行的方法，它含有聚合物，可以提高ECE和熱導(dǎo)率，同時也可以保持軟材料的其它特性。現(xiàn)在，使用的填料大多是高介電常數(shù)填料。（k）在高聚物-氧化物界面上，鐵電無機(jī)氧化物納米粒子被認(rèn)為會加強(qiáng)ECE，從而導(dǎo)致電場放大變形，促進(jìn)界面極化。通過制備，Chen等人（P(VDF–TrFE–CFE)）/ 極化和ECE改進(jìn)了ZrO2納米復(fù)合材料。ZrO2納米粒子的介電常數(shù)與許多氧化物相比。（ε~30)較低，但與基本三元高聚物相比。（ε~45）相當(dāng)。介電常數(shù)之間的細(xì)微差別對于在有機(jī)-無機(jī)界面上造成較大的內(nèi)場變形是微不足道的。

松豫鐵電聚合物PP上海交大錢小石教授課題組(VDF-TrFE-CFE)在低介電常數(shù)中引入納米金剛石填料 (ND)，可以有效地實(shí)現(xiàn)高聚物電卡制冷效果、導(dǎo)熱性能和擊穿場強(qiáng)度的協(xié)同提高。以“相關(guān)研究成果”Low-k nano-dielectrics facilitate electric-field induced phase transition in high-k ferroelectric polymers for sustainable electrocaloric refrigeration"問題發(fā)表于《Nature communications》。

錢小石教授團(tuán)隊(duì)在這項(xiàng)研究中將非常規(guī)的低介電常數(shù)納米介電材料(納米金剛石)，ND）從市場上推出的弛豫鐵電聚合物（P(VDF-TrFE-CFE), 65/35/7.5 mol%）其中，目的是提高納米復(fù)合材料的導(dǎo)電性、電氣可靠性和導(dǎo)熱性。為了減少其介電響應(yīng)，在非極性高聚物電介質(zhì)中加入低介電常數(shù)的納米粒子。在松豫鐵電聚合物中混入少量ND后，混合物顯示出明顯的極化和ECE的增強(qiáng)。增強(qiáng)效果比高介電常數(shù)材料更顯著。比如，在100 MV·m-1在電場下，加入2.6 %ND(形成的納米復(fù)合材料稱為T-ND-ECE可以提高60%，相當(dāng)于23%的填充物，比已經(jīng)報(bào)告的最佳高介電常數(shù)填充物提高了近70%。納米復(fù)合材料的熱導(dǎo)率因ND含量低而提高了75%。

通過XRD實(shí)驗(yàn)證明，ECE的改進(jìn)是由于納米復(fù)合材料中非極性-極性變化的能壘減少造成的。使用靜電顯微鏡（EFM）對ND-高聚物界面的電位進(jìn)行檢測，可以直接觀察到ND-高聚物界面的電位顯著增加，這也是納米復(fù)合材料極化性能提高的原因?？紤]到ECE和傳熱同時增強(qiáng)，開發(fā)了一種EC制冷裝置模型，可持續(xù)旋轉(zhuǎn)循環(huán)運(yùn)行。通過數(shù)值分析，發(fā)現(xiàn)以納米復(fù)合材料為核心制冷元件的應(yīng)用，可以顯著提高EC設(shè)備的制冷能力和質(zhì)量。在10 在K溫度的跨度下，以T為準(zhǔn)-ND-制冷系數(shù)的2.6%是核心成分（COP）在保持240的同時，可以達(dá)到5.3(以三元共聚物為核心成分時為0.8) W以上的制冷功率較高(制冷功率比基于純?nèi)簿畚锏难b置高10倍)。

圖1. 基本的三元共聚物和 ND 納米復(fù)合材料的整體性能混合。

圖2. SAXS 和原點(diǎn) WAXD 試驗(yàn)表明，低 k ND 可以減少三元共聚物改變能量勢壘。

圖3. 主要原因是極化增強(qiáng)。

圖4. 摻加 ND 納米復(fù)合材料的環(huán)保性。

圖5. 基于流固耦合電子制冷機(jī)的制冷性能。

原文:https://doi.org/10.1038/s41467-024-44926-8

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原標(biāo)題：“復(fù)材信息”Nat. Commu.：納米金剛石，增加10倍！

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