【PK10全天免费计划】光电信息学院姜胜林,光电

2019-11-23 06:59 来源:未知

1月7日,Advanced Materials杂志在线刊发了光电信息学院姜胜林、张光祖团队关于高性能电卡制冷研究的最新成果“Nanoconfinement-Induced Giant Electrocaloric Effect in Ferroelectric Polymer Nanowire Array Integrated with Aluminum Oxide Membrane to Exhibit Record Cooling Power Density”。该研究为新一代制冷用电卡材料与器件的研究、设计与制备提供了全新思路,对推动电卡制冷走向实际应用具有重要意义。张光祖副教授为论文第一作者,姜胜林教授和Qing Wang教授为论文共同通讯作者。

  在光电信息学院的大力推动下,该院姜胜林教授及其团队的年轻教师张光祖博士与宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程系的Qing Wang教授课题组深入合作,成功设计、开发了高性能铁电纳米陶瓷/三元共聚物复合材料,并将最新的研究成果应用于下一代固态制冷技术和储能技术领域。

制冷技术的应用覆盖了国家安全、工农业生产、生物医疗、科学研究和日常生活等各领域。目前制冷仍几乎完全依赖压缩机技术,但压缩机制冷无法摆脱制冷剂的使用,对全球环境和气候影响显著。此外,压缩机制冷效率低,每年消耗超过6%的全球总电能,间接排放CO2约52亿吨,进一步危害环境。再者,压缩机体积大、重量重,无法用于集成电路芯片的局域制冷。因此,开发体积小、重量轻的新型高效环保制冷技术迫在眉睫。电卡效应通过电场来诱导铁电体的相变和偶极熵变、控制材料的吸/放热过程,可实现热搬运和制冷。电卡制冷无需危害环境的制冷剂,效率更是压缩机制冷的3-5倍,且具有体积小和重量轻的特点。电卡效应将为制冷技术的发展带来革命性突破。

  今年1月7日,相关研究成果《铁电聚合物复合材料在制冷器中的应用》在线发表在材料类知名杂志《先进材料》上,并获审稿人高度评价,称该成果应作为VIP级论文发表。

电卡制冷走向实用的关键在于高性能电卡材料的制备。铁电聚合物是实现高性能电卡制冷最具潜力的材料之一,但是其强电卡效应需要较高的电场来激发。另外,聚合物热导率低,这严重制约了电卡材料与制冷器的快速传热,限制了其实际制冷效果。

  铁电材料被广泛应用于压电传感器与换能器、非制冷热释电红外探测设备和铁电存储器中,相关研究备受关注。铁电复合材料因兼具铁电陶瓷优异的铁电性和铁电聚合物良好的柔韧性,在近年来成为研究的热点。利用铁电体的电卡效应可实现热量的搬运,这为现代制冷技术提供新的解决方案。采用电卡材料制备的制冷器具有体积小、重量轻和能耗低的特点。更重要的是,该类制冷设备不含对环境有严重危害的制冷剂。

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  为开发高性能电卡材料,剑桥大学和宾夕法尼亚州立大学分别对锆钛酸铅铁电陶瓷和PVDF基铁电聚合物的电卡效应展开了研究,使这两种材料均实现了12℃的降温效果。相关成果分别发表在2006年和2008年的《科学》杂志上。然而上述两种材料均有其各自的缺点:陶瓷铁电体的抗电场击穿能力较差,而铁电聚合物需要极高的电场来驱动其电卡效应,这都不利于电卡效应的实用化。另外,12℃的降温效果尚不能满足实用要求。

图1 (a)铁电聚合物纳米线阵列—多孔氧化铝模板混合型电卡材料示意图;(b-i)混合型电卡材料的微观结构图

  针对上述有关问题,姜胜林团队与宾夕法尼亚州立大学密切合作,创新性地提出利用铁电陶瓷和聚合物的纳米界面耦合效应,制备了铁电陶瓷/铁电聚合物纳米复合电卡材料。该复合材料无论在低电场还是高电场激发状态下,均体现出理想了的电卡效应。材料最终实现了温降50℃的制冷效果。相关成果最终被《先进材料》刊发。

针对这个问题,姜胜林教授、张光祖副教授团队、宾夕法尼亚州立大学Qing Wang教授课题组、Sulin Zhang教授课题组和学校能源学院杨诺教授团队展开合作,提出了全新的基于铁电聚合物纳米线阵列—多孔氧化铝模板的混合型电卡材料。通过多孔氧化铝管壁的纳米应力限制效应,铁电聚合物的结晶度得到提高,与此同时,其极性分子链被有序排列,该纳米效应使铁电聚合物在低场下的电卡强度得到大幅提升,电卡效应超过常规薄膜材料3倍。这大幅降低的电卡材料与制冷器使用所需的电场,极为有利于实际应用。

  在上述工作基础上,姜胜林与Qing Wang教授联合课题组进一步合作开发了高性能纳米复合储能材料。该类储能材料作为储能设备的核心,被广泛应用于粒子加速器、高能微波源、电动汽车供电系统等领域,其性能的提高关系到国民经济和能源事业的发展。在研究中,联合课题组创新性地提出利用氮化硼纳米片的高抗压能力,并结合纳米片与共聚物的纳米界面耦合效应,制备了氮化硼纳米片/PVDF基共聚物纳米复合储能材料。适量氮化硼纳米片的引入使PVDF基共聚物的抗击穿场强得到了显著提高,并且在高电场的激励作用下,材料的极化率也得到了明显优化。该纳米复合材料的储能密度达到20 J cm-3,是现有储能材料的2-5倍。

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  2014年12月2日,相关论文《溶液法制备高击穿场强、高储能密度氮化硼/三元共聚物纳米复合材料》在线发表于英国皇家化学协会旗下知名杂志《能源与环境科学》上。该研究成果将有力推动高储能密度电容器在现代储能电子设备中的应用。

图2 纳米应力限制效应对电卡聚合物分子链进行取向的原理图

更有意思的是,氧化铝的热导率高,是铁电聚合物的30倍。如图3,氧化铝管壁同时为聚合物纳米线阵列构筑了传热“高速公路”,使电卡效应产生的制冷量能在较短的时间有效的传递给热负载。研究证明团队提出的混合型电卡材料与制冷器可获得迄今最高的制冷功率密度。

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图3 (a)混合型电卡材料与传统电卡薄膜的传热效果对比图;(b)混合型电卡材料与传统电卡薄膜的制冷量传输结果对比;(c)混合型电卡材料与传统电卡薄膜的制冷功率密度对比

该研究得到国家自然科学基金等项目的支持。

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