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》期刊報道了航空科學與工程學院侯慧龍副教授在固態(tài)相變制冷領域取得的新進展：《Materials, physics and systems for multicaloric cooling》

固態(tài)相變制冷技術，基于固體材料內稟序參量在外場源下的可逆改變引起材料的吸/放熱效應，經熱力學循環(huán)實現(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，不僅具有巨大的市場經濟價值與社會環(huán)保意義，而且在航空航天、空間探測等領域也具有重要應用前景。此工作在梳理和歸納了單場以及多場轉換與調控固態(tài)相變制冷技術的基礎上，從材料、物理、系統(tǒng)三個層次進行了原創(chuàng)性的研究工作，實現(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則，完善了多場功-能轉換器件的評價體系。該工作不僅是對單場致效應的歸納與補充，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），在全球物質類（材料、化學、物理、工程、機械等）研究期刊中，排名第一。該項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)相變制冷技術包括彈熱效應、磁熱效應、電熱效應等單場致效應，在各自的研究方向以并行方式快速發(fā)展。由于彈熱效應所對應的結構相變通常伴隨著磁熱效應的磁相變和電熱效應的電偶極子相變，彈熱效應與磁場、電場等場致效應于近年來交匯融合，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換機理和調控的新興方向。但是，這些場致熵變的物理機制及其多場調控原理，雖已在磁力兩個外場的情形得到運用，但無法解決在更復雜的力磁電多場條件下，序參量之間的轉換和耦合作用對增強制冷效應和功能壽命的有效調控，嚴重制約了利用多場轉換耦合效應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換與調控，實現(xiàn)制冷效應的疊加與耦合，是固態(tài)相變制冷領域未來發(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，以及力電磁多場轉換與調控的發(fā)展過程與研究現(xiàn)狀。在此基礎上，進行了原創(chuàng)性的研究工作：通過分析力磁電多場響應材料的內稟序參量，以及共軛外場的物理過程，發(fā)現(xiàn)磁化強度、電極化強度、機械強度等內稟序參量與對應的磁場、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)合增效的關鍵在于對熵變符號的多場調控。提出了力磁電多場響應材料與驅動場的協(xié)同設計策略（圖1），完善了材料類型（單相、復合相）與共軛外場對于熵變符號的多場調控機制，動態(tài)調控場致熵變（磁熵、晶格熵和極化熵），實現(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理，發(fā)現(xiàn)在功-能轉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變的彈性能來影響材料的功能壽命?；趯嶒灲Y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到百萬次循環(huán)以上功能壽命的延壽準則，建立了一級和二級相變所對應的功能壽命預測公式。更重要的是，基于能量形式建立的延壽準則和公式，可從單場效應材料體系推廣至多場效應體系，具有普適性，表明了力磁電多場響應材料內稟序參量與共軛外場具有共同的驅動因素。從材料制冷性能系數(shù)出發(fā)，揭示了驅動損失、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），完善了在器件設計中，多場材料與器件的性能評價體系。同時，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，達到同期國際最高水平。

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

作者簡介：侯慧龍，北京航空航天大學航空科學與工程學院副教授，2015年畢業(yè)于美國賓夕法尼亞州立大學，獲博士學位；2016–2019年在美國馬里蘭大學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。擔任國際相變制冷會議科學委員會委員、北京新曦顛覆性技術創(chuàng)新基金會技術專家等。

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