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Science:南开大学团队研获新型柔性制冷方式“扭热制冷”

发布时间:2019-10-12 09:47:21    浏览次数:44    来源:南开大学


论文截图

南开新闻网讯(记者 吴军辉)更加高效、节能、绿色、便携的制冷方式是人类不懈探索的方向。10月11日在线出版的《科学》(Science)杂志刊文,报道了中国南开大学与美国德克萨斯州立大学达拉斯分校的一支国际联合研究团队研获的一种柔性制冷新策略——“扭热制冷”。他们发现,改变纤维内部的捻度可以实现降温。由于制冷效率更高、体积更小且适用于天然橡胶、钓鱼线以及镍钛合金等多种普通材料,基于这种方法制成的“扭热冰箱”也变得前景可期。

这项发现来自于南开大学药物化学生物学国家重点实验室、药学院、功能高分子教育部重点实验室刘遵峰教授团队与美国德克萨斯州立大学达拉斯分校教授、南开大学杨石先讲座教授雷·鲍曼(Ray H.Baughman)团队的合作研究。刘遵峰、雷·鲍曼为论文共同通讯作者,南开大学为论文第一单位。



“扭热制冷”中,对橡胶纤维加捻会生成不同的结构:加捻、部分螺旋、全部螺旋、和超螺旋,橡胶直径:2.5 mm,预拉伸应变:200%。

节省电能 降低成本

根据国际制冷研究机构的数据统计,目前世界上使用空调和冰箱制冷消耗的电能约占全球电能损耗的20%。如今被广泛应用的空气压缩原理制冷,其卡诺效率一般低于60%。传统的冰箱在制冷过程释放出的气体正在加剧地球变暖。随着人类对制冷需求的增加,探索新型制冷理论和方案,进一步提高制冷效率,降低成本并减小制冷设备的尺寸,成为当务之急。

橡皮筋拉伸会发热,缩回后温度会降低,这种现象叫“弹热制冷”。其他固态制冷技术还包括电热制冷、磁热制冷以及镍钛合金形状记忆材料等新型方案。但是,这些制冷技术的卡诺效率均未超过空气压缩制冷技术。

基于天然橡胶的“弹热制冷”早在十九世纪早期就已经被发现。但是,要得到较好的制冷效果,需要预先将橡胶拉伸到很长的尺寸。通过“扭热制冷”技术,人们只需要解捻就可以实现。“初步的实验证实,‘扭热制冷’技术的卡诺效率可以达到67%。这意味着,通过使用橡胶、钓鱼线等普通材料进行制冷,有望获得更高卡诺效率,从而节省更多电能,降低制冷成本。”刘遵峰说。

体积更小 效率更高

使用橡皮筋进行“弹性制冷”,需要将其拉伸至自身长度的6到7倍,然后缩回去。这意味的制冷需要很大的体积。而且,目前“弹性制冷”的卡诺效率比较低,通常只有约32%。能否开发出新的方法进行制冷,来提高效率、减小体积是困扰科研人员的难题。

研究人员将纤维状的橡胶弹性体两端固定,然后从一端旋转加捻,使其形成一种超螺旋结构。将橡胶纤维拉长一倍(100%应变),随后快速释放。研究人员发现,该橡胶纤维的温度可降低15.5摄氏度。



“扭热制冷”过程中,天然橡胶纤维显示的温度变化。橡胶直径为2.2mm。

“这一结果高于使用‘弹热制冷’技术的降温:拉长7倍的橡胶收缩降温为12.2摄氏度。如果将伸长和加捻均释放,该‘扭热制冷’降温可达16.4摄氏度。”刘遵峰说,获得相同降温效果的情况下,“扭热制冷”的体积仅为“弹热制冷”的2/7,“扭热制冷”的卡诺效率可达67%。

钓鱼线也能制冷?

研究人员介绍,橡胶作为“扭热制冷”材料,还有还有很多空间可以改进。比如,橡胶质地较软,需要捻很多圈才能获得比较明显的降温,其传热速度较慢,还需要考虑材料的反复使用、耐久性等问题。因此,探索其他“扭热制冷”材料成为研究团队的一个重要突破方向。

“有趣的是,我们发现,‘扭热制冷’方案也适用于钓鱼线、纺织线。之前,人们并没有意识到这些普通的材料可以用来进行制冷。”刘遵峰说。

研究人员先将这些刚性高分子纤维加捻并形成螺旋结构。这种螺旋结构的高分子纤维也曾被用来制备强劲的“人工肌肉”。拉伸该螺旋可以升温,螺旋缩回后温度降低。

实验发现,使用“扭热制冷”技术,聚乙烯编织线可以产生5.1摄氏度的降温,而直接拉伸/释放该材料却几乎观察不到温度变化。“这种聚乙烯纤维的‘扭热制冷’原理是在拉伸-收缩过程中,螺旋内部捻度降低,从而导致能量的变化。”刘遵峰说,这些比较坚硬的材料,比橡胶纤维更为耐久,而且在拉伸很短的情况下,降温幅度也超过橡胶。



用于“扭热制冷”的钓鱼线。自螺旋(上图)和中空卷绕螺旋并固化(下图)的尼龙-6纤维图。纤维直径为0.6 mm。标尺:1.0 mm (上图) ,2.0 mm (下图).

研究人员还发现,将“扭热制冷”技术应用于强度更大、传热更快的镍钛形状记忆合金时,制冷效果更佳,且只需要加入较低的捻度,就会获得比较大的降温。

研究人员将四根镍钛合金丝放在一起加捻,解捻后最大降温点可达20.8摄氏度,整体平均降温也可达到18.2摄氏度。“这要略高于使用‘弹热制冷’技术获得的17.0摄氏度降温。一个制冷周期,只需要30秒左右。”刘遵峰说。

研究人员还制作了一个基于“扭热制冷”技术的冰箱模型,可以对流动的水进行降温。他们使用三根镍钛合金丝作为制冷材料,每厘米旋转0.87圈,可以获得7.7摄氏度的降温。



“扭热制冷”的冰箱模型。使用镍钛合金丝或弹性体纤维的“扭热制冷”装置可以对流水进行降温

“反扭热制冷”效应和“扭热制冷”变色

一般情况下的使用钓鱼线的“扭热制冷”现象为:拉伸升温、收缩降温。“通过使用相反的加捻和螺旋方向,我们可以实现拉伸制冷。这种现象很奇特。”雷·鲍曼说。

将纤维加捻后绕成螺旋,如果纤维的加捻方向与制备的螺旋方向相反,可以制成“反向螺旋”。与常规的“扭热制冷”效应不同,这种“反向螺旋”结构的橡胶弹性体和鱼线,在拉伸下会降温,这种新奇的现象称为“反扭热制冷”效应。

“扭热制冷”中的另外一个特殊现象是纤维不同部位呈现不同的温度(在红外成像仪中,会发现升温会显示为红色,降温显示为蓝色)。这是由于纤维加捻产生的螺旋沿纤维长度方向的周期性分布所致。



“扭热制冷”的周期性温度分布。具有螺旋结构天然橡胶纤维被拉伸后(上图)和释放拉伸后(下图)的红外图像和光学图像。红色表示加热,蓝色表示降温。

研究人员将镍钛合金丝表面涂覆热致变色涂料,可以制成“扭热制冷”变色纤维。在加捻和解捻的过程中,该纤维会发生可逆的颜色变化。“它可用作新型传感元件,对纤维捻度进行远程光学测量。比如,通过使用肉眼观察颜色的变化,就可以知道远处的材料转了几圈,这是一种非常简易的传感器。”刘遵峰说,基于“扭热制冷”原理一些纤维也可用于智能变色织物。



利用“扭热制冷”实现颜色变化的纤维。表面涂覆有热致变色涂料的镍钛合金丝加捻和解捻后的颜色变化图像。

“这些初步的发现距离‘扭热冰箱’的商业化依然有很长的路要走,也存在很多机遇与挑战”,雷·鲍曼说,“这些挑战包括,开发新型的器件与材料以提高循环使用寿命,合理利用输入功以提高效率。潜在的机遇包括,除使用商业化的现有材料,进一步优化‘扭热制冷’材料,获得最佳的性能”。

刘遵峰认为,该研究发现的这种新型制冷技术,为制冷领域扩充了一个新的板块。将为降低制冷领域能源损耗提供一种新的途径。

据了解,清华大学武汉大学、佐治亚南方大学、清华大学深圳国际研究生院、林德科(美国)研究中心、巴西坎皮纳斯州立大学、天津理工大学、辽宁科技大学、中国药科大学等单位参与了此项研究。


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