近期，《自然》（Nature）期刊發(fā)表了一項關(guān)于電致冷（Electrocaloric, EC）效應(yīng)的突破性研究。研究人員開發(fā)出一種基于鋯鈦酸鉛-鎢酸鎂（PST–PMW）固溶體的新型多層電容器，成功實現(xiàn)了跨越室溫的大規(guī)模電致冷效應(yīng)。這一成果解決了長期以來固態(tài)制冷技術(shù)難以在室溫及以下溫度高效運行的瓶頸，為食品保鮮、醫(yī)療冷鏈及建筑環(huán)境調(diào)節(jié)等領(lǐng)域提供了極具潛力的技術(shù)替代方案。

突破室溫限制的材料創(chuàng)新

傳統(tǒng)電致冷材料多依賴鐵電相變，其居里溫度通常較高，導(dǎo)致制冷效果僅在室溫以上顯著。盡管已有原型機利用多層電容器（MLCs）實現(xiàn)接近室溫的冷卻，但要將負載溫度降至室溫以下仍面臨巨大挑戰(zhàn)?，F(xiàn)有的改性PST材料在室溫以下的電致冷效應(yīng)微弱（≤1.6 K），而其他陶瓷材料如反鐵電體PMW，其效應(yīng)會在穿越室溫時衰減甚至反轉(zhuǎn)，熱力學(xué)上無法用于制冷。

研究團隊通過引入鎢酸鎂（PMW）對PST進行稀釋，巧妙地放大了價態(tài)失配，從而在無需長時間高溫退火的情況下，保持了高B位有序度和巨大的相變潛熱。同時，這種摻雜破壞了偶極有序，將居里溫度降低至230 K左右。實驗表明，85% PST-15% PMW和90% PST-10% PMW兩種成分均能在加熱過程中保持優(yōu)異的B位有序結(jié)構(gòu)，其晶格參數(shù)分別為8.13 ?和8.14 ?，且無需經(jīng)過耗資巨大且耗時42天的傳統(tǒng)退火工藝。

卓越的電致冷性能與效率

在電場驅(qū)動下，這種新型多層電容器表現(xiàn)出超臨界電致冷效應(yīng)。當(dāng)施加17.1 V/μm（約600 V）的電場并循環(huán)超過10^7次而不發(fā)生擊穿時，器件在室溫及遠低于室溫的區(qū)域?qū)崿F(xiàn)了約3 K的有效溫降。間接測量顯示，其峰值電致冷熵變|ΔS|高達34 kJ/(K·m3)，等溫?zé)醸Q|約為10 MJ/m3，遠超傳統(tǒng)PST材料。

通過構(gòu)建類似布雷頓循環(huán)的理想流體再生器模型，研究團隊評估了該材料的制冷潛力。假設(shè)具備的功回收率（實際已證明可達99%以上），基于85PST–15PMW多層電容器的制冷循環(huán)效率在70%至90%之間。具體而言，當(dāng)溫差跨度為10 K時，效率約為70%；當(dāng)溫差跨度擴大至30 K時，效率可提升至90%。這一效率水平顯著優(yōu)于現(xiàn)有的磁致冷工作體，后者通常在狹窄的溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)平平。

無需退火的工藝優(yōu)勢

該研究的核心突破在于材料制備工藝的簡化。傳統(tǒng)高介電強度的PST多層電容器需要在1,400 °C下高溫?zé)Y(jié)以實現(xiàn)致密化，這會破壞原有的B位有序結(jié)構(gòu)，因此必須經(jīng)過長達42天的退火處理來恢復(fù)有序度。而純PMW材料僅需950 °C低溫?zé)Y(jié)即可致密，且能保留有序結(jié)構(gòu)。本研究采用的PST–PMW固溶體在1,250 °C的中溫下燒結(jié)，既滿足了致密化需求，又因Sc3?與Mg2?、Ta??與W??之間的價態(tài)和尺寸失配被放大，自發(fā)維持了高B位有序度，從而徹底省去了昂貴的退火步驟。

微觀結(jié)構(gòu)分析進一步證實了這一優(yōu)勢。通過高分辨率掃描透射電子顯微鏡（HAADF-STEM）觀察，85PST–15PMW樣品中的B1和B2原子柱清晰可辨，其間距與晶格參數(shù)計算值高度吻合，且高Z元素（Ta, W）與低Z元素（Sc, Mg）分布均勻，證實了良好的固溶體有序性。

這一發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著電致冷技術(shù)從實驗室原型向?qū)嵱没~進的關(guān)鍵一步。對于中國電子陶瓷及制冷行業(yè)而言，掌握無需退火工藝的高性能鐵電材料制備技術(shù)，不僅能大幅降低生產(chǎn)成本，更能在固態(tài)綠色制冷領(lǐng)域搶占技術(shù)高地。隨著對能效要求的日益嚴(yán)格，這種高效、緊湊且無運動部件的制冷方案有望在高端消費電子和精密儀器溫控市場中迅速崛起。