北航新聞網(wǎng)3月31日電（通訊員 喬梁）2022年3月29日，《Nature Reviews Materials》期刊報(bào)道了航空科學(xué)與工程學(xué)院侯慧龍副教授在固態(tài)相變制冷領(lǐng)域取得的新進(jìn)展：《Materials, physics and systems for multicaloric cooling》

固態(tài)相變制冷技術(shù)，基于固體材料內(nèi)稟序參量在外場源下的可逆改變引起材料的吸/放熱效應(yīng)，經(jīng)熱力學(xué)循環(huán)實(shí)現(xiàn)制冷，具有綠色環(huán)保、節(jié)能高效、低噪穩(wěn)定等諸多優(yōu)點(diǎn)，不僅具有巨大的市場經(jīng)濟(jì)價(jià)值與社會環(huán)保意義，而且在航空航天、空間探測等領(lǐng)域也具有重要應(yīng)用前景。此工作在梳理和歸納了單場以及多場轉(zhuǎn)換與調(diào)控固態(tài)相變制冷技術(shù)的基礎(chǔ)上，從材料、物理、系統(tǒng)三個(gè)層次進(jìn)行了原創(chuàng)性的研究工作，實(shí)現(xiàn)了場致熵變的聯(lián)合增效，建立了相變制冷材料的延壽準(zhǔn)則，完善了多場功-能轉(zhuǎn)換器件的評價(jià)體系。該工作不僅是對單場致效應(yīng)的歸納與補(bǔ)充，而且豐富和拓寬了多場作用下制冷材料與器件的種類及概念范疇。值得一提的是，所發(fā)表期刊《Nature Reviews Materials》的影響因子（IF=66.308），在全球物質(zhì)類（材料、化學(xué)、物理、工程、機(jī)械等）研究期刊中，排名第一。該項(xiàng)工作也是北航自建校以來發(fā)表在該期刊上的第二篇成果（第一篇由江雷院士于2017年發(fā)表）。

固態(tài)相變制冷技術(shù)包括彈熱效應(yīng)、磁熱效應(yīng)、電熱效應(yīng)等單場致效應(yīng)，在各自的研究方向以并行方式快速發(fā)展。由于彈熱效應(yīng)所對應(yīng)的結(jié)構(gòu)相變通常伴隨著磁熱效應(yīng)的磁相變和電熱效應(yīng)的電偶極子相變，彈熱效應(yīng)與磁場、電場等場致效應(yīng)于近年來交匯融合，形成了磁場、力場、電場等多場作用下，磁熵、晶格熵和極化熵的多場轉(zhuǎn)換機(jī)理和調(diào)控的新興方向。但是，這些場致熵變的物理機(jī)制及其多場調(diào)控原理，雖已在磁力兩個(gè)外場的情形得到運(yùn)用，但無法解決在更復(fù)雜的力磁電多場條件下，序參量之間的轉(zhuǎn)換和耦合作用對增強(qiáng)制冷效應(yīng)和功能壽命的有效調(diào)控，嚴(yán)重制約了利用多場轉(zhuǎn)換耦合效應(yīng)大幅提升制冷性能和穩(wěn)定性的發(fā)展。通過多場條件下的力電磁多場轉(zhuǎn)換與調(diào)控，實(shí)現(xiàn)制冷效應(yīng)的疊加與耦合，是固態(tài)相變制冷領(lǐng)域未來發(fā)展的重要方向之一。

侯慧龍副教授及其長期合作者深入系統(tǒng)地梳理和歸納了彈熱、磁熱、電熱、壓熱等單場致效應(yīng)，以及力電磁多場轉(zhuǎn)換與調(diào)控的發(fā)展過程與研究現(xiàn)狀。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行了原創(chuàng)性的研究工作：通過分析力磁電多場響應(yīng)材料的內(nèi)稟序參量，以及共軛外場的物理過程，發(fā)現(xiàn)磁化強(qiáng)度、電極化強(qiáng)度、機(jī)械強(qiáng)度等內(nèi)稟序參量與對應(yīng)的磁場、電場、力場等共軛外場在相變過程、物理描述和宏觀行為上存在共通性，發(fā)展了一級相變材料在零場和非零場條件下的通用相圖和熵變公式。發(fā)現(xiàn)場致熵變聯(lián)合增效的關(guān)鍵在于對熵變符號的多場調(diào)控。提出了力磁電多場響應(yīng)材料與驅(qū)動場的協(xié)同設(shè)計(jì)策略（圖1），完善了材料類型（單相、復(fù)合相）與共軛外場對于熵變符號的多場調(diào)控機(jī)制，動態(tài)調(diào)控場致熵變（磁熵、晶格熵和極化熵），實(shí)現(xiàn)了多場致熵變的聯(lián)合增效。

通過綜合分析一級相變制冷材料中減小相變滯后的策略與機(jī)理，發(fā)現(xiàn)在功-能轉(zhuǎn)換過程中滯后損耗所帶來的損耗功，主要通過其在輸入功的占比，以及改變用于逆向轉(zhuǎn)變的彈性能來影響材料的功能壽命?；趯?shí)驗(yàn)結(jié)果，提出損耗功在輸入功占比小于10%是一級相變制冷材料達(dá)到百萬次循環(huán)以上功能壽命的延壽準(zhǔn)則，建立了一級和二級相變所對應(yīng)的功能壽命預(yù)測公式。更重要的是，基于能量形式建立的延壽準(zhǔn)則和公式，可從單場效應(yīng)材料體系推廣至多場效應(yīng)體系，具有普適性，表明了力磁電多場響應(yīng)材料內(nèi)稟序參量與共軛外場具有共同的驅(qū)動因素。從材料制冷性能系數(shù)出發(fā)，揭示了驅(qū)動損失、傳熱損失、循環(huán)損失、寄生損失四類損失對于器件制冷性能系數(shù)逐級削減的影響規(guī)律（圖2），完善了在器件設(shè)計(jì)中，多場材料與器件的性能評價(jià)體系。同時(shí)，以磁性形狀記憶合金為模型材料，獲得的多場協(xié)同增效制冷器件，核心材料性能指數(shù)為24.5，達(dá)到同期國際最高水平。

在該項(xiàng)工作中，北京航空航天大學(xué)侯慧龍副教授為第一作者，也是通訊作者，北京航空航天大學(xué)為第一單位。合作者是來自西安交通大學(xué)的錢蘇昕副教授和馬里蘭大學(xué)的Ichiro Takeuchi教授。此項(xiàng)工作得到了國家自然科學(xué)基金委員會、北京航空航天大學(xué)青年拔尖人才支持計(jì)劃、北京航空航天大學(xué)杭州創(chuàng)新研究院（余杭）的資助。

作者簡介：侯慧龍，北京航空航天大學(xué)航空科學(xué)與工程學(xué)院副教授，2015年畢業(yè)于美國賓夕法尼亞州立大學(xué)，獲博士學(xué)位；2016–2019年在美國馬里蘭大學(xué)從事博士后研究工作。曾獲2020中國十大新銳科技人物。代表性研究成果發(fā)表在Science、Nature Communications等國際期刊上。擔(dān)任國際相變制冷會議科學(xué)委員會委員、北京新曦顛覆性技術(shù)創(chuàng)新基金會技術(shù)專家等。

論文地址：https://www.nature.com/articles/s41578-022-00428-x