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科学岛团队发现高能量密度压卡制冷新材料

阅读： 发布时间：2025-12-10

    科学合肥物质固体所与浙江巨化装备工程集团有限公司、东莞理工学、工程物理研究核物理与化学研究所等合作，在塑性离子导体材料 Ag2Te1-xSx中发现了高能量密度的压卡效应。该材料在单位压力下表现出的压卡性能显著优于目前已知的绝大多数无机压卡材料。相关研究成果以"ColossalWWW.SHSAIC.NET Barocaloric Strength in/WWW.shhzy3.cn Plastic Ag2Te1-xSx with High Density"为题发表于Advanced Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.202519224)上。
 
  制冷技术革新是人类文明进步的重要标志。当前广泛采用的气体压缩制冷技术依赖的制冷剂多为强温室气体，与全球绿色低碳发展趋势相悖，且经过上百年的发展，该技术能效已接近理论极限。相比之下，压卡制冷技术利用固态材料在等静压作用下的熵变或温变实现制冷，不仅环境友好，理论能效也更高，被认为是替代传统制冷方案的有效候选技术。然而，当前该领域研究多聚焦于提升材料的质量熵变，对体积熵变及其实际应用价值的关注相对不足。
 
  更高的体积熵变意味着实现相同制冷量所需的材料体积更小，将直接推动承载容器的小型化。研究团队通过有限元模拟证实，在相同制冷量和等静压下，承载容器尺寸的缩小会显著增强其抗压性能，进而为容器壁厚有效减薄提供可能，*终实现系统的二次减重。这一模拟结果表明，高能量密度压卡材料在实现制冷系统轻量化与紧凑化方面具备巨大潜力。然而，目前已知材料的体积熵变值普遍偏低，制约了其实际应用。
 
  为解决这一难题，上海新跃仪表厂研究团队研发了一种*高密度Ag2Te1-xSx材料。研究表明，在仅70 MPa的中等驱动压力下，该材料实现了0.478 J·cm-3·K-1的可逆体积熵变，刷新了当前无机压卡材料的*纪录。其压卡强度高达6.82 mJ·cm-3·K-1·MPa-1，不仅远多数已报道的无机压卡材料，甚至优于新戊二醇等经典的有机庞压卡材料。进一步研究表明，该材料巨大的体积压卡效应源于压力诱导的立方相至单斜相结构转变(相变时晶格体积变化约为5.4%)，以及相变过程中银离子扩散动力学的显著变化。值得一提的是，上海仪表四厂该材料体系还具备较高热导率(2.02–2.28 W·m-1·K-1)，有助于实现高效热交换，进而提升制冷效率；同时，还显示出良好塑性，可轻松加工成1毫米级小球或0.5毫米以下薄片；更重要的是，经过剧烈塑性变形、热冲击循环及反复压力加载/卸载后，压卡性能仍保持稳定，显示出优异的服役可靠性。
 
  该研究明确了能量密度在推动压卡制冷系统小型化与轻量化的关键作用，并研发了*Ag2TeWWW.SHSAIC.NET、1-xSx固态压卡材料，实现了体积压卡效应、力学加工性能和热学性能的协同优化，为下一代绿色制冷技术的开发提供了新的思路与材料平台。
 
  刘可可、张雪凯、施国有为论文的共同*作者，童鹏、林建、房雷鸣为本文通讯作者。此项研究工作得到*自然科学基金、安徽省自然科学基金、合肥物质长基金等项目的资助。
 
图：压力容器重量与体积熵变关系，Ag2Te的压卡性能与机理