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行业动态|Nat. Commu.:纳米金刚石,提高10倍!
行业动态|Nat. Commu.:纳米金刚石,提高10倍!
行业动态|Nat. Commu.:纳米金刚石,提高10倍! 2024-05-10
行业动态|Nat. Commu.:纳米金刚石,提高10倍! 60

       电卡制冷技术基于电介质电容器的充放电,实现高效制冷。EC陶瓷和聚合物因其高能量可逆性、高回收率、简易驱动和紧凑结构,备受关注。这些材料适用于现有大规模生产工艺,展现出固态制冷技术的潜力。通过主动电热再生循环验证,EC设备可实现大温度跨度,媲美传统制冷技术。静电驱动的聚合物薄膜制冷器是重要突破,适用于受限环境。但为提升总功率,需增加EC材料,导致工作体增厚和传热时间延长。因此,研究需探索更高效的EC材料以提高制冷性能。

       EC聚合物因柔韧性、低密度和电学稳定性在制冷中作用显著,但低热导率(0.2 W·m−1·K−1)和高电场需求是其效率挑战。富含聚合物的纳米复合材料有望提升ECE和热导率,同时保持软材料特性。常用高介电常数(k)铁电无机氧化物纳米粒子作填料,可放大电场变形,促进界面极化,增强ECE。Chen等人通过(P(VDF–TrFE–CFE))/ZrO2纳米复合材料改善了极化和ECE,ZrO2的介电常数(ε~30)与基础三元聚合物(ε~45)相近,界面内场变形显著。

       上海交通大学钱小石教授课题组通过在弛豫铁电聚合物P(VDF-TrFE-CFE)中创新性地引入低介电常数纳米金刚石填料(ND),成功实现了电卡制冷效应、导热性能及击穿场强的显著提升。这一成果在《Nature communications》上以“低介电纳米材料助力高介电铁电聚合物实现可持续电卡制冷”为题发表。研究团队在市售弛豫铁电聚合物中引入ND,旨在优化纳米复合材料的导电率、电学稳定性和热导率。通过降低聚合物电介质的介电响应,混合物在添加少量ND后,显著增强了极化和ECE性能。特别地,当ND含量为2.6%时,ECE提升高达60%,较之前报道的高介电常数填充物性能提升近70%。同时,由于ND含量较低,纳米复合材料的热导率也提升了75%,为电卡制冷技术的可持续发展提供了新途径。

        通过原位XRD实验表明ECE的提升源于纳米复合材料中非极性-极性相变能垒的降低。静电力显微镜(EFM)测试揭示ND-聚合物界面电位显著增长,这可能直接增强了材料的极化性能。基于ECE与导热性的双重提升,我们开发了连续旋转循环的EC制冷装置模型。数值分析显示,纳米复合材料作为核心制冷元件可大幅增强EC设备的制冷能力和效率。在10K温差下,采用T-ND-2.6%纳米复合材料的制冷装置,其制冷系数(COP)高达5.3(三元共聚物仅为0.8),且制冷功率保持在240W以上,较纯三元共聚物装置提升10倍。

图1. 基础三元共聚物和 ND 掺杂纳米复合材料的总体性能。

图2.  SAXS 和原位 WAXD 测试表明,低 k ND 可以降低三元共聚物相变的能量势垒。

图3. 极化增强主要原因的特征。

图4. 掺入 ND 的纳米复合材料的环保性。

图5. 基于流固耦合的电子制冷机的制冷性能。

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