面向可穿戴制冷应用的柔性电卡纳米线阵列

现代工业和日常生活对制冷的需求越来越大,因制冷而消耗的能源也在逐年大幅提升。2000年,全球消耗了300 TWh的能量用于制冷,而到2050年该数字预计将达到4000 TWh。相对于已广泛应用的空调等“空间制冷(Space Cooling)”,“个体制冷(Personal cooling)”的效率要高得多。此外,个体制冷对工作在极端环境下人员的保护也更为有利。例如将使进入燃烧建筑物的消防员、烈日下竞赛的运动员和工厂里的工人等,他们必须穿戴厚重的个体制冷装备在高温环境下工作,生命经常遭受因体温过高而引起的中暑等症状的威胁。有效的个体制冷可较好地解决这一问题。然而,目前的个体制冷系统多基于笨重或能耗较高的传统技术,应用严重受限。

电卡材料是一种在外加电场作用下可以表现出可逆温度变化的材料。与目前广泛使用的压缩机制冷设备相比,基于电卡效应的制冷器制冷效率高(分别是压缩机和半导体制冷器的2倍和7倍)、体积小、重量轻等优点,且不具有产生温室效应或对臭氧层有严重危害的制冷剂,可用于大规模集成电路和大功率电子器件的降温并有望取代空调、冰箱等传统高能耗制冷设备,而更为重要的是,电卡效应为新一代可穿戴制冷系统的设计与制备提供了可能。

之前研发的无机电卡材料通常是单晶、块体或薄膜类型的陶瓷。但由于陶瓷刚度高、脆性大、可加工性能差,所以其使用非常受限。铁电聚合物材料虽然同样也可以制冷,但它制冷时所需的电场强度却远远超出人体可接受的安全范围。

AM Qing Wang

针对目前电卡材料研究中的上述问题,美国宾州州立大学Qing Wang教授课题组成功研制了具有制冷效果的铁电陶瓷纳米线阵列,该阵列具有良好的电卡效应,可在36V的人体安全电压驱动下有效工作,使用一块ipad大小的锂电池就能使200克的铁电陶瓷纳米线阵列以300W的制冷功率工作两小时,为人体提供舒适的温度环境。该研究还通过相场模拟和热力学计算等方法从理论上验证了上述实验结果。该纳米线阵列实现了无机铁电陶瓷的“柔性化”,可以转移到透明胶、聚酰亚胺薄膜或硅胶等柔性衬底上,以及衣服纤维表面,阵列可随衬底弯曲和拉伸而保持性能不变,为未来人体可穿戴制冷装备及相关技术的应用开拓了道路。

相关成果在线发表在Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.201506118)上,杂志当期封面(Front Cover)对本工作进行了介绍。