Joule制冷新進(jìn)展，為全固態(tài)制冷技術(shù)提供可復(fù)制的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案！

熱設(shè)計(jì) 2025-10-09

來(lái)源：Joule

鏈接：https://doi.org/10.1016/j.joule.2025.102128

在全球能源與環(huán)境問(wèn)題日益凸顯的背景下，制冷技術(shù)的效率提升與環(huán)保轉(zhuǎn)型成為關(guān)鍵議題。過(guò)去數(shù)十年間，傳統(tǒng)蒸汽壓縮制冷技術(shù)雖已廣泛應(yīng)用，但其能源消耗與環(huán)境影響的雙重痛點(diǎn)逐漸凸顯：據(jù)統(tǒng)計(jì)，該技術(shù)的耗電量占全球總電力消耗的 25% 左右，且受限于傳熱損耗與機(jī)械傳動(dòng)損失，其效率已接近理論天花板，難以進(jìn)一步突破。更嚴(yán)峻的是，該技術(shù)所用制冷劑（如 R134a、R410a）具有極高的全球變暖潛能值（GWP），分別達(dá)到 1300 和 2088，被認(rèn)定為全球變暖的重要驅(qū)動(dòng)因素，與當(dāng)前低碳環(huán)保的發(fā)展需求嚴(yán)重相悖，亟需新型制冷技術(shù)取而代之。

近日，廣東工業(yè)大學(xué)魯圣國(guó)教授團(tuán)隊(duì)針對(duì)傳統(tǒng)蒸汽壓縮制冷高能耗、高全球變暖潛能值，以及傳熱結(jié)構(gòu)效率低的痛點(diǎn)，提出以無(wú)鉛 BaSrTiO?（BSTO）基多層陶瓷（MLCs）為核心，創(chuàng)新設(shè)計(jì)雙策略可擴(kuò)展叉指結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)全固態(tài)電熱制冷器件的性能提升與規(guī)模化應(yīng)用突破。團(tuán)隊(duì)采用 Sr2?摻雜 BSTO 制備 MLCs，通過(guò)流延法與還原氣氛燒結(jié)工藝，將陶瓷層厚度控制為 30μm、內(nèi)電極（Ni）厚度 1-2μm；200kV/cm 電場(chǎng)下，MLCs 有效電極區(qū)絕熱溫差（ΔT）達(dá) 4.02K（紅外相機(jī)測(cè)量），與差示掃描量熱法（DSC）、熱電偶測(cè)量結(jié)果高度一致，且材料符合 RoHS 環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，解決鉛基材料毒性問(wèn)題。創(chuàng)新提出 “級(jí)聯(lián) + 并聯(lián)” 雙策略可擴(kuò)展叉指結(jié)構(gòu) —— 級(jí)聯(lián)通過(guò)多組叉指 “首尾連接” 形成溫度梯度，提升冷熱端溫差（T????）；并聯(lián)通過(guò)延長(zhǎng)叉指長(zhǎng)度，使同組多片 MLCs 同步傳熱，提升制冷功率，突破傳統(tǒng) “單級(jí)單片” 結(jié)構(gòu)的性能瓶頸。在叉指銅結(jié)構(gòu)與 MLCs 接觸處引入熱墊（Laird Tflex700，導(dǎo)熱率 5W/(mK)），顯著降低固 - 固接觸熱阻（遠(yuǎn)優(yōu)于空氣導(dǎo)熱率 0.027W/(mK)）；搭配聚四氟乙烯絕緣夾固定 MLCs，減少熱傳導(dǎo)損耗，同時(shí)適配不同尺寸材料。

首次實(shí)現(xiàn)無(wú)鉛 BSTO 基 MLCs 與雙策略叉指結(jié)構(gòu)的結(jié)合，兼顧大溫差、高功率與環(huán)保性，解決現(xiàn)有固態(tài)電熱制冷器件規(guī)模化難題，為全固態(tài)制冷技術(shù)提供可復(fù)制的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。研究成果以“Interdigitated structure-derived scalable all-solid state electrocaloric cooling device using lead-free BaSrTiO3-based multilayer ceramics”為題發(fā)表在《Joule》期刊。

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