[复材信息][复材信息]Nat. Commu.：纳米金刚石，增加10倍！

2024-05-30

电动卡片制冷利用电介质电容器的充电和放电工艺，实现高理论效率的制冷循环。从2006年到2008年，电卡（EC）在全球范围内，瓷器和聚合物的发明备受关注。目前对EC设备的研究表明，EC设备具有高能量可逆性(>90%)、驱动电场能量回收效率高(>80%)、具有驱动方法简单、器件结构简单、理论制冷功率密度高等优点。另外，广泛使用的EC瓷器和聚合物可以适应现有的大规模生产工艺，例如多层陶瓷电容器（MLCC）和卷对卷(R2)R），所以EC制冷被认为是一种有前途的固体工业制冷。

EC设备以瓷器和聚合物为基础，通过设计主动电热再生循环（AER）经验证，该循环是通过流-固和固-固共邈传热来实现的。这类设计能达到较大的温度跨度，具有与传统蒸汽压缩制冷相媲美的潜力。EC制冷器的另一个重大突破是基于静电驱动的聚合物薄膜制冷器的演示，可用于许多不适用于传统技术的空间和重量限制严格的应用。只使用有限的主动冷却材料，级联膜EC设备完成了惊人的冷却功率78.5 mW·cm−2。但是，当EC材料需要大量的EC材料来进一步提高总冷却功率时，EC工作体必然会变得更厚，并且需要更长的时间才能完全传热。因此，在研究领域，EC材料比广泛使用的导电材料具有更大的电制冷效果和导热系数，从而维持甚至增加循环频率，从而提高制冷功率。

虽然EC高聚物在许多独特的制冷应用中发挥了作用，因为它们固有的柔韧性、低密度和电气稳定性，但它们的低热导率(0.2 W·m−1·K−第一，对实际冷冻设备的理论效率提出了挑战。另外，为了达到令人满意的制冷性能，现有的EC高聚物仍然需要极高的电场。纳米复合材料是一种可行的方法，它含有聚合物，可以提高ECE和热导率，同时也可以保持软材料的其它特性。现在，使用的填料大多是高介电常数填料。（k）在高聚物-氧化物界面上，铁电无机氧化物纳米粒子被认为会加强ECE，从而导致电场放大变形，促进界面极化。通过制备，Chen等人（P(VDF–TrFE–CFE)）/ 极化和ECE改进了ZrO2纳米复合材料。ZrO2纳米粒子的介电常数与许多氧化物相比。（ε~30)较低，但与基本三元高聚物相比。（ε~45）相当。介电常数之间的细微差别对于在有机-无机界面上造成较大的内场变形是微不足道的。

松豫铁电聚合物PP上海交大钱小石教授课题组(VDF-TrFE-CFE)在低介电常数中引入纳米金刚石填料 (ND)，可以有效地实现高聚物电卡制冷效果、导热性能和击穿场强度的协同提高。以“相关研究成果”Low-k nano-dielectrics facilitate electric-field induced phase transition in high-k ferroelectric polymers for sustainable electrocaloric refrigeration"问题发表于《Nature communications》。

钱小石教授团队在这项研究中将非常规的低介电常数纳米介电材料(纳米金刚石)，ND）从市场上推出的弛豫铁电聚合物（P(VDF-TrFE-CFE), 65/35/7.5 mol%）其中，目的是提高纳米复合材料的导电性、电气可靠性和导热性。为了减少其介电响应，在非极性高聚物电介质中加入低介电常数的纳米粒子。在松豫铁电聚合物中混入少量ND后，混合物显示出明显的极化和ECE的增强。增强效果比高介电常数材料更显著。比如，在100 MV·m-1在电场下，加入2.6 %ND(形成的纳米复合材料称为T-ND-ECE可以提高60%，相当于23%的填充物，比已经报告的最佳高介电常数填充物提高了近70%。纳米复合材料的热导率因ND含量低而提高了75%。

通过XRD实验证明，ECE的改进是由于纳米复合材料中非极性-极性变化的能垒减少造成的。使用静电显微镜（EFM）对ND-高聚物界面的电位进行检测，可以直接观察到ND-高聚物界面的电位显著增加，这也是纳米复合材料极化性能提高的原因。考虑到ECE和传热同时增强，开发了一种EC制冷装置模型，可持续旋转循环运行。通过数值分析，发现以纳米复合材料为核心制冷元件的应用，可以显著提高EC设备的制冷能力和质量。在10 在K温度的跨度下，以T为准-ND-制冷系数的2.6%是核心成分（COP）在保持240的同时，可以达到5.3(以三元共聚物为核心成分时为0.8) W以上的制冷功率较高(制冷功率比基于纯三元共聚物的装置高10倍)。