熱無(wú)處不在，全球約72%的初級能源轉化后主要以熱耗散的形式釋放。傳統相變儲熱材料完全依賴(lài)于環(huán)境溫度，存在本征熱耗散的弊端，導致其放熱過(guò)程被動(dòng)、不可控，應用場(chǎng)景受限。因此，熱能在非溫度外場(chǎng)條件下的有效調控一直是能源領(lǐng)域的一項重要挑戰。開(kāi)發(fā)可控儲、放熱新技術(shù)，對于提高能源利用率以及解決碳排放問(wèn)題意義重大。
近年來(lái)，中國科學(xué)院金屬研究所沈陽(yáng)材料科學(xué)國家研究中心李昺研究員團隊在一系列塑晶材料中發(fā)現并命名了龐壓卡效應（Nature, 567(7749):506-510, 2019），為構建零碳制冷技術(shù)提供了全新的技術(shù)路線(xiàn)。2023年，該團隊發(fā)現了首個(gè)反常龐壓卡材料體系，并基于該效應發(fā)明了壓力可控儲熱技術(shù)（Science Advances, 9(7):eadd0374, 2023；專(zhuān)利ZL 202011370421.5），將龐壓卡效應的應用場(chǎng)景拓展至熱能利用領(lǐng)域。近期，該團隊針對上述技術(shù)儲熱量小、驅動(dòng)壓力大等弊端，與四川大學(xué)、澳大利亞核科技組織等單位合作，利用塑晶材料中玻璃晶體相的壓致結晶效應，發(fā)明了一種全新的壓力可控儲熱技術(shù)（圖1）。
塑晶又稱(chēng)取向無(wú)序晶體，其中組成分子或原子基團的質(zhì)心構成長(cháng)程有序晶格，但取向卻如同液體一般呈現動(dòng)態(tài)無(wú)序。隨著(zhù)溫度逐漸降低，塑晶相的取向也有序化，稱(chēng)為有序晶體。如若快速降溫抑制有序相變，塑晶則處于過(guò)冷態(tài)，取向逐步凍結，最終演化為玻璃態(tài)，即玻璃晶體態(tài)。玻璃晶體態(tài)較為特殊，作為單相材料卻兼具玻璃和晶體特征。上述幾種特殊物相及相互轉化關(guān)系請參考圖2。該研究工作具體以塑晶材料2-氨基-2-甲基-1,3-丙二醇（AMP）為原型，結合中子散射和介電譜測量技術(shù)，系統研究了材料晶體結構、原子動(dòng)力學(xué)和相變行為，證實(shí)了其過(guò)冷塑晶相和玻璃晶體相的存在。在室溫下，過(guò)冷塑晶相對壓力極為敏感，6.7 MPa壓力即可誘導其向有序晶體相的轉變，同時(shí)釋放134 J g?1的潛熱，在20 s內溫度升高48 K。該團隊設計開(kāi)發(fā)了一種電驅動(dòng)壓力可控放熱的概念裝置，發(fā)現1 J電能即可誘導材料發(fā)生相變，釋放之前所存儲的383 J熱能（圖3）。
該技術(shù)充分利用塑晶材料的過(guò)冷塑晶相（玻璃晶體相）及其壓力可調制特性，克服了傳統儲熱技術(shù)依賴(lài)于隔熱條件的缺點(diǎn)，在無(wú)需任何絕熱措施的前提下，提供了一種能夠對熱能精準、可控、有序再利用的新手段，有望實(shí)現100 ℃以下低品位廢熱的高效回收、穩定存儲、遠距離運輸和可控再利用。團隊也正在積極探索該技術(shù)在動(dòng)力系統冷啟動(dòng)和航天器空間熱管理等方面的應用。
相關(guān)成果以“Taming heat with tiny pressure”為題發(fā)表于The Innovation, 5(2):100577 2024（DOI：10.1016/j.xinn.2024.100577），并已獲得國家發(fā)明專(zhuān)利授權（專(zhuān)利ZL 202210034888.5）。
金屬所功能材料與器件研究部張琨副研究員、張哲博士為共同第一作者，四川大學(xué)羅江水教授、澳大利亞國家核科學(xué)技術(shù)組織（ANSTO）高級首席譜儀科學(xué)家于德洪博士、金屬所李昺研究員為共同通訊作者。
該工作得到了中國科學(xué)院基礎前沿科學(xué)研究計劃“從0到1”原始創(chuàng )新項目、國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、遼寧省自然科學(xué)基金杰出青年項目、中國科學(xué)院金屬研究創(chuàng )新基金項目、建制化科研平臺等項目的資助。
圖1. 基于過(guò)冷塑晶相的微小壓力可控儲熱新技術(shù)的應用場(chǎng)景示意圖
圖2. 塑晶冷卻曲線(xiàn)示意圖
圖3. 基于A(yíng)MP過(guò)冷塑晶相的壓力可控儲、放熱性能表現
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