[论文解读] Materials, physics, and systems for multicaloric cooling

Huilong Hou, Suxin Qian+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 23, 2021

Advanced Thermoelectric Materials and Devices参考文献 281被引用 10

一句话总结

本文是一篇观点论文，综述了具有多种场致相变的多卡冷却材料与系统，通过铁电序的耦合，利用多种激励（如磁场、电场、应力场）实现增强的卡诺效应。论文提出了高效率、低全球变暖潜能值冷却技术的路线图，整合了先进材料、多卡效应物理机制以及系统级设计原则。

ABSTRACT

The calls to minimize greenhouse gas emissions and the demands for higher energy efficiency continue to drive the research worldwide in alternative cooling and refrigeration technologies. The field of caloric cooling has undergone a series of transformations in the past several decades bolstered by the advent of new materials and devices, and these developments have helped fuel the advent of multicalorics in the past decade. Multicaloric materials systems inherently display one or more types of ferroic orders that can give rise to multiple field-induced phase transitions responsible for the caloric effects. Just as multiferroic materials possessing co-existing order parameters have unveiled a plethora of physical phenomena and applications over the years, multicaloric cooling materials have the potential to open up entirely new avenues for extracting heat and spearhead hitherto unknown technological applications. In this Perspective, we survey the emerging field of multicaloric cooling and explore the state-of-the-art caloric materials systems responsive to multiple fields. We present our visions of future applications of multicaloric and caloric cooling in general including key factors governing the overall system efficiency of the cooling devices.

研究动机与目标

• 应对全球对高效节能、环境可持续且温室气体排放极少的冷却技术日益增长的需求。
• 识别并分析对多种外部场（如磁场、电场、机械场）响应的多卡材料，以实现增强的卡诺效应。
• 探讨材料中多种铁电序共存的物理机制，这些序导致多个可调谐相变，从而提升冷却性能。
• 建立多卡系统的设计原则，以最大化效率与可扩展性，适用于实际应用。
• 概述多卡冷却技术的未来研究方向与技术路径，使其成为传统蒸气压缩制冷的可行替代方案。

提出的方法

• 系统性综述并整合近年来对多刺激响应卡诺材料的最新进展，包括磁卡效应、电卡效应、弹卡效应及多卡效应。
• 分析表现出共存铁电序（铁电性、铁磁性、铁弹性）的材料，以实现多种场致相变的耦合。
• 评估控制卡诺响应的热力学与动力学因素，包括相变熵变、场响应特性以及滞后行为。
• 将材料物理与系统级工程相结合，建立模型并优化冷却性能，重点关注优值因子与能效。
• 采用概念性器件结构，演示在串联或顺序使用多种激励时，多卡循环的可行性。
• 将多卡系统与传统及单场卡诺系统进行比较，突出其在制冷能力与能效方面的优势。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何通过工程设计实现多卡材料中多种场致相变，以最大化熵变与冷却效率？
• RQ2 哪些关键物理机制使不同铁电序（如铁电性与铁磁性）之间的耦合得以实现，从而增强卡诺效应？
• RQ3 主导系统级效率限制的关键因素是什么？如何实现优化？
• RQ4 与单场卡诺材料相比，多卡材料在制冷功率、温区跨度与能效方面有何差异？
• RQ5 为实现多卡冷却技术的实际部署，必须克服哪些关键的材料与系统设计挑战？

主要发现

• 具有共存铁电序的多卡材料可在多种外部场作用下表现出多个可调谐相变，实现增强且多刺激响应的卡诺效应。
• 在单一材料体系中实现多种场响应（如磁场、电场、机械场）的耦合，可产生比单场卡诺材料更大的总体熵变。
• 多铁氧化物及某些稀土基化合物表现出巨大潜力，因其可支持多个序参量并具备强场致相变能力。
• 系统级建模表明，多卡循环的优值因子更高，且能效优于传统或单场卡诺系统。
• 多卡器件的效率对材料滞后、热导率与电导率以及界面工程极为敏感，必须尽可能降低。
• 本文明确了实现实用化多卡冷却系统的清晰研发路径，强调材料设计、器件集成与系统优化的重要性。