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为解决传统蒸汽压缩热泵制冷剂高全球变暖潜能值问题，研究人员开展铁弹性合金马氏体相无滞后弹性变形热泵研究。发现 [100] 织构 Ti??Nb??合金热弹性效应（TeE）致绝热温度变化（ΔT?d）4?5 K，能效达卡诺极限 90%，为高效固态热泵提供新路径。
论文解读
在全球能源消耗中，约半数用于供暖，建筑领域的区域供暖（通常低于 353 K）和工业领域的工艺加热（大多在 373?503 K）是主要耗能场景。目前，全球供热仍主要依赖燃烧化石燃料，不仅排放密集且能源效率低下。基于蒸汽压缩（VC）的热泵虽能以低能耗回收工业废热或环境热，但其使用的制冷剂因高全球变暖潜能值引发广泛担忧，因此亟需高效环保的热泵技术。
形状记忆合金（SMAs）的一阶相变固态热泵作为绿色替代方案备受关注，虽已开发出多种高性能热泵装置，但能量效率仅达卡诺理论极限的 50%?70%，显著低于基于蒸汽压缩的制冷剂（约 90%）。由于材料层面的效率是器件层面能效的上限，而形状记忆合金因一阶相变固有的滞后性难以实现更高效率，探索无滞后的非相变路径成为突破关键。
香港科技大学的研究人员针对这一问题，开展了利用铁弹性合金马氏体相无滞后弹性变形产生的热弹性效应（TeE）实现固态热泵的研究。研究发现，[100] 织构的 Ti??Nb??马氏体多晶合金在 413?473 K 时，因宏观大线性热膨胀（α?=10??/K），热弹性效应可产生 4?5 K 的绝热温度变化（ΔT?d），不仅远超普通金属（ΔT?d≈0.2 K），材料层面的能量效率还达到卡诺理论极限的 90% 左右。在其他固有 α?更大（高达 5.4×10??/K）的铁弹性马氏体合金中，预测热弹性效应可带来更大的 ΔT?d（高达 22 K），同时保持较高效率。该研究为高效固态热泵提供了一种非相变的新途径，相关成果发表在《Nature Communications》。
主要关键技术方法
研究采用两步塑性变形工艺（冷轧和压缩，CRC）制备 [100] 织构 Ti??Nb??马氏体多晶样品；运用同步辐射 X 射线衍射验证马氏体相组成和晶格弹性变形；通过热力学模型计算材料层面的性能系数（COP???）；利用差示扫描量热法（DSC）确定合金相变温度；借助原位加热透射电子显微镜（TEM）观察微观结构变化；使用热机械分析仪（NETZSCH TMA 402 F3）测量宏观线性热膨胀。
研究结果
- 铁弹性合金马氏体相大 TeE 的理论基础：根据热弹性理论，固体的 TeE 与固有热膨胀相关。对于各向异性固体，快速单轴加载时的 ΔT?d 可由公式 ΔT?d=?T???σπα?/λ 量化。在给定温度和应力下，ΔT?d 由材料的热容和线性热膨胀系数决定，金属中热容差异小，故大 α?是关键。马氏体相的 α?与温度相关，遵循 α?∝1/√(T??T???)，在接近 T?（马氏体相绝对失稳温度）时，中等单轴应力下可展现大 α?和 ΔT?d。
- [100] 织构 Ti??Nb??马氏体多晶的制备与表征：通过冷轧和压缩工艺制备出 [100]||RD 织构的 Ti??Nb??合金，其马氏体相组成经同步辐射 X 射线衍射验证。样品微观结构由 5?10 nm 宽、30?50 nm 长的马氏体薄片和 10?40 nm 大小的马氏体晶粒组成。加热至 473 K 时无马氏体向奥氏体转变迹象，宏观热膨胀仅来自马氏体晶格热膨胀，沿 RD 的宏观 CTE 随温度升高从约 26×10?? K?1 升至 94×10?? K?1。
- TeE 的观察与循环稳定性：[100] 织构 Ti??Nb??在 473 K 时，快速释放 700 MPa 压应力可产生 5.2±0.2 K 的 ΔT?d，远超常见材料。经千次循环压缩，ΔT?d 无明显退化，虽有 0.5% 残余应变积累，但机械训练效应抑制了不可逆变形，展现出优异的循环稳定性。
- 材料层面的能效计算：在斯特林热泵循环中，Ti??Nb??的 COP???为 25.3，第二定律效率达 88%，超越一阶相变的电热材料和弹性热形状记忆合金，可与二阶相变的磁热材料及商用蒸汽压缩制冷剂媲美，高温下效率更高达 94%。
- 马氏体单晶 TeE 的预测：利用公式和实测晶格参数，计算十种马氏体单晶在 500 MPa 应力下的 ΔT?d，固有大 |α?|（1.8?5.4×10??/K）可带来 9?22 K 的 ΔT?d，温度窗口达数十开尔文，且滞后小，能效高。
研究结论与意义
本研究证明铁弹性合金马氏体相在接近绝对失稳温度时，沿大固有线性热膨胀晶向弹性受力可展现大 TeE。通过塑性变形制备的 [100] 织构 Ti??Nb??马氏体多晶实现了大 ΔT?d 和高能量效率，且十种单晶铁弹性合金在中等应力下有望产生更大 ΔT?d。该发现提供了非相变的高效固态热泵新方案，为工业供热（373?503 K）等领域的节能减碳开辟了新路径，有望减少化石燃料消耗，推动绿色热泵技术发展。
