[论文解读] Comparison of caloric effects in view of application

Zhongjian Xie, Gaël Sebald+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 15, 2016

Ferroelectric and Piezoelectric Materials参考文献 87被引用 3

一句话总结

本文比较了固态制冷应用中的磁卡诺效应（MC）、电卡诺效应（EC）、压卡诺效应（BC）和弹性卡诺效应（eC），强调了环境可持续性和实用性。研究指出需要开发‘优质’卡诺材料——即环境友好、成本低、性能高且所需应力小的材料，强调不同卡诺效应因其独特的刺激源和本征特性，适用于不同的应用场景，针对性的研究将加速商业化进程。

ABSTRACT

In the framework of solid-state cooling technology, four kinds of caloric effects, magnetocaloric (MC), electrocaloric (EC), barocaloric (BC) and elastocaloric (eC) effects, are compared in view of environment discussion and application fields. This field is primarily developed in the intention of protecting the environment. However, some widely researched caloric materials do not meet environmental friendly criteria. Currently, new caloric materials (called "good" material) possessing the properties of friendly environment, low cost, high caloric performance and practicability (low stress) need to be found. In view of application, all current caloric effects/materials are investigated for the common objective of cooling. However, the adapted application cases for different caloric effects/materials are not considered. Due to the different stimuli and different intrinsic properties (different caloric performance for different dimensions) of caloric materials, they can exhibit unique advantage to different application cases. "Good" caloric material used for large-scale application is still less and deserve more search. Purposeful research will save the cost and accelerate the commercialization.

研究动机与目标

• 评估磁卡诺、电卡诺、压卡诺和弹性卡诺效应在实际制冷应用中的适用性。
• 识别当前研究的卡诺材料在环境和实际应用方面的局限性。
• 定义‘优质’卡诺材料的标准：环境友好性、低成本、高性能卡诺效应以及低运行应力。
• 指导未来研究朝向应用特定的材料开发，以加速商业化。
• 强调由于刺激源和材料本征特性的不同，不同卡诺效应适用于不同应用场景。

提出的方法

• 基于其刺激源（磁场、电场、压力、机械应力）对四种卡诺效应——磁卡诺、电卡诺、压卡诺和弹性卡诺——进行系统比较。
• 评估熵变和制冷容量等材料性能指标在不同维度下的表现。
• 评估每种卡诺效应的环境影响、成本及机械应力需求。
• 分析材料本征特性及其在不同维度（如0D、1D、2D、3D）下对卡诺性能的影响。
• 基于刺激类型和材料响应特性，识别应用特定的优势。
• 利用现有实验和理论数据，比较四种卡诺效应在性能和可行性方面的表现。

实验结果

研究问题

• RQ1 在大规模制冷应用中，哪种卡诺效应——MC、EC、BC或eC——在性能、环境影响和实用性之间提供了最理想的平衡？
• RQ2 从环境可持续性、成本、卡诺性能和所需运行应力的角度来看，什么定义了‘优质’卡诺材料？
• RQ3 卡诺材料的本征特性在不同维度下如何变化，这又如何影响其在特定应用中的适用性？
• RQ4 为何当前广泛研究的卡诺材料未能满足环境友好性标准，需要何种替代方案？
• RQ5 如何通过面向应用的卡诺材料设计，加速固态制冷技术的商业化？

主要发现

• 由于刺激源和材料响应的差异，磁卡诺、电卡诺、压卡诺和弹性卡诺效应在不同应用场景中表现出独特的优势。
• 许多广泛研究的卡诺材料未能满足环境友好性标准，亟需寻找环境影响低的‘优质’材料。
• 弹性卡诺材料（如天然橡胶）因运行应力低且卡诺性能高而展现出前景，适用于特定应用。
• 卡诺材料的性能显著受维度影响，进而影响其在不同制冷系统设计中的适用性。
• 面向应用的材料开发对于降低研究成本、加速固态制冷技术商业化至关重要。
• 天然橡胶（NR）因其低成本、环境友好性和高性能的优异组合，被突出为弹性卡诺应用的潜在候选材料。