基于天然橡胶弹热效应的低品位热能-机械能转换装置研发与性能验证

本研究针对工业废热回收难题，创新性地利用天然橡胶的弹热效应（elastocaloric effect），开发出可循环工作的弹热装置。通过预拉伸5倍的天然橡胶管在20°C–60°C温区内实现10 kPa·K?1的应力变化，采用流体传热系统实现35 K温差下的热-机械能转换，单周期输出达4 J（150 mJ·cm?3），为低品位热能回收提供了可扩展的固态解决方案。

　　

在全球能源结构中，约70%的初级能源最终以低品位废热形式耗散，其中温度低于100°C的废热因缺乏高效回收技术而长期被忽视。传统热电材料（thermoelectric materials）转换效率不足卡诺效率的十分之一，而形状记忆合金（SMAs）虽具有热弹性耦合特性，却受限于高机械应力需求和刚性结构。面对这一挑战，法国国家应用科学学院（INSA Lyon）、日本东北大学（Tohoku University）等机构的研究团队独辟蹊径，将目光投向天然橡胶（natural rubber）这一兼具环境友好性与超大应变能力的弹热材料（elastocaloric material）。

研究人员通过系统研究天然橡胶的应变诱导结晶（strain-induced crystallization）特性，发现预拉伸至原始长度5倍的橡胶管在20°C–60°C温区内表现出10 kPa·K^?1的显著应力响应。基于此，团队设计出新型弹热装置：采用双再生器（REGs）结构，以水为传热流体，在热交换器（HHEX/CHEX）间建立35 K温差的循环热传递。关键技术包括：1）商用天然橡胶管（Omega Engineering TYGR系列）的弹热活性表征；2）基于本构方程的系统能量转换模拟；3）机械-热耦合测试平台（含MISUMI线性执行器和Micro-Epsilon激光位移传感器）。

【自然橡胶表征】章节揭示，弱交联（~10^?4 mol·cm^?3）的未填充天然橡胶在绝热拉伸时可产生15 K的温度突变，其疲劳寿命可达10⁵–10⁶次循环，远超传统SMAs。

【实验验证】部分显示，在4.5–5.5倍拉伸比条件下，装置单周期可实现4 J机械功输出，对应体积能量密度150 mJ·cm^?3，较同类固态热机提升一个数量级。通过并联多橡胶管的设计，系统突破了传统橡胶带发动机（rubber band engine）的体积效率瓶颈。

这项发表于《Joule》的研究开创性地证明了天然橡胶在热能 harvesting 领域的实用价值：1）首次实现弹热效应的逆向能量转换循环；2）提出可扩展的软材料架构，避免SMAs的刚性结构限制；3）为<100 K温差的低品位热源利用提供新范式。Gael Sebald团队已就该技术申请国际专利（EP22160602），未来通过集成电磁系统，有望直接输出电能，推动分布式能源回收技术的革新。