用于环保热能管理的3D打印巴罗卡热力复合材料

《Journal of Materials Chemistry A》：3D printed barocaloric composites for environmentally friendly thermal energy management

本文提出两种新型固态巴罗卡路里材料[C12H25NH3]2MnCl4和[C12H25NH3]2MnBr4，其熵变ΔS>200 J·K?1·kg?1，可在500-700 bar压力下工作。通过复合材料的开发，采用石墨等添加剂提升热导率，并利用3D打印技术制备出具有高效热交换结构的复合材料。这些材料适用于高温环境的热管理，如锂离子电池和氢燃料电池系统，有效抑制温度过冲并延长设备寿命。

　　近年来，全球社会正加速推进技术转型，以实现2050年的碳中和目标。这一进程涵盖了能源系统的革新，特别是供暖和制冷系统的脱碳化。在这一背景下，科学家们发现了一种新型的固态压电致冷材料，它们不仅具有极高的热响应能力，还能够在相对较低的压力下实现可逆的相变过程，从而为环保型热能管理提供新的解决方案。本文介绍的两种新型材料——[C??H??NH?]?MnCl?和[C??H??NH?]?MnBr?——展现出超过200 J K?1 kg?1的压电致冷效应，这在500 bar的操作压力下即可实现可逆性。这些材料的发现标志着压电致冷技术的重要进展，并为未来的可持续热能管理系统开辟了新的方向。

除了材料本身的性能突破，研究人员还引入了一种前所未有的3D打印压电致冷复合材料。这种材料由压力传递矩阵和热导性添加剂组成，其结构模拟了热交换器的复杂形态，如三维的回旋结构（gyroid）。这一创新不仅提高了材料的热交换效率，还增强了其化学稳定性和技术整合能力，为压电致冷材料在实际应用中的性能提升提供了关键支撑。3D打印技术的应用使得材料能够按照需求定制形状，从而更高效地与热交换流体接触，进一步提升了其在热能管理中的潜力。

压电致冷材料通常具有较高的热响应能力，但其热导率较低，限制了其在热能管理中的实际应用。为了克服这一问题，研究人员在材料中添加了石墨粉作为热导性增强剂。这种添加剂不仅提升了材料的热传导能力，还避免了传统材料在使用过程中可能因扩散而造成的堵塞问题。通过这种方法，材料的热导率从0.2 W m?1 K?1提升至0.3 W m?1 K?1，显著改善了其热能交换效率。此外，研究人员还通过实验验证了这些复合材料在不同温度和压力条件下的稳定性，发现其在高温和高压下仍能保持良好的性能。

值得注意的是，压电致冷材料的相变温度范围在315–350 K（42–77 °C）之间，这一温度区间恰好符合锂离子电池和氢燃料电池等新兴技术对热管理的需求。例如，锂离子电池在运行过程中需要保持在25–40 °C的温度范围内以确保高效运作，而超过126 °C则可能引发热失控。氢燃料电池在运行时可能达到100 °C以上，同时其储氢罐在加氢过程中也可能产生高温。因此，这些新型压电致冷材料在这些应用中具有显著优势，能够有效避免过热和热失控问题，提高设备的使用寿命和运行效率。

除了热管理性能的提升，研究还指出这些压电致冷材料的结构特性是其优异性能的重要基础。通过同步辐射X射线粉末衍射（SPXRD）等实验手段，研究人员确认了这些材料在不同温度和压力下的结构变化，发现其在压力作用下会经历固-固相变，这一过程与热熵变密切相关。这些材料的相变温度能够通过调整烷基铵链的长度进行调控，使得它们能够适应不同应用场景的需求。此外，通过热力学分析，研究人员进一步揭示了这些材料的热响应机制，表明其压电致冷效应主要来源于构型无序带来的熵变，而非体积变化。

研究团队还通过实验验证了这些材料在不同聚合物基质中的表现。其中，一种基于聚二甲基硅氧烷（PDMS）的复合材料能够在3D打印技术下形成复杂的结构，如回旋形热交换器。这种结构设计不仅提升了材料的热交换表面积，还使其具备了良好的机械性能和化学稳定性。另一类基于F39树脂的复合材料则通过3D打印技术，实现了更灵活的形状调整，进一步增强了其在实际设备中的适应性。这些实验表明，3D打印技术能够为压电致冷材料提供更高效的热管理方案，同时也为未来材料的规模化生产和应用奠定了基础。

在实际应用方面，这些新型压电致冷材料不仅适用于传统的制冷和空调系统，还为锂离子电池和氢燃料电池等新兴技术提供了重要的热管理支持。通过在这些设备中使用压电致冷材料，可以有效控制其运行温度，防止热失控，并延长设备的使用寿命。此外，研究还提出了一些潜在的应用方向，例如在加氢系统中回收机械能，并将其转化为冷却或加热功能。这一想法为未来的能量回收和再利用提供了新的思路，同时也展示了压电致冷材料在可持续能源系统中的广阔前景。

为了进一步推动压电致冷材料的实际应用，研究团队还对这些材料进行了长期稳定性测试。结果显示，这些材料在高温和高压条件下仍能保持良好的性能，并且在3D打印结构中表现出较高的机械强度。这表明，压电致冷材料不仅在热性能上具有优势，而且在工程应用中也具备良好的适应性和耐久性。通过优化材料的负载比例和添加剂的使用，研究人员能够进一步提高其热响应能力，同时避免因材料聚集而导致的打印问题。

综上所述，这项研究不仅为压电致冷材料的发展提供了新的方向，还展示了其在多种热管理场景中的应用潜力。通过结合3D打印技术，研究人员成功地开发出具有更高热交换效率和更稳定性能的复合材料，这将为未来环保型热能管理系统的构建提供重要支撑。此外，研究还强调了在设计新型压电致冷材料时，需要综合考虑其热响应能力、化学稳定性、机械性能以及与设备的适配性。这些因素将决定压电致冷材料在实际应用中的可行性与推广价值。

展望未来，压电致冷材料有望在多个领域发挥重要作用，包括新能源系统、智能电子设备和可持续工业应用。随着3D打印技术的不断进步，压电致冷材料的形状设计和性能优化将进一步提升其在热能管理中的效率。同时，研究人员也指出，需要进一步探索材料的负载极限和热导性添加剂的使用范围，以实现更高的热响应能力和更广泛的工程应用。这些努力将有助于推动压电致冷技术的商业化进程，并为实现碳中和目标提供有力的技术支持。