【儀表網 研發快訊】近日，中國科學院合肥物質院固體所與浙江巨化裝備工程集團有限公司、東莞理工學院、中國工程物理研究院核物理與化學研究所等合作，在塑性超離子導體材料 Ag2Te1-xSx中發現了高能量密度的壓卡效應。該材料在單位壓力下表現出的壓卡性能顯著優于目前已知的絕大多數無機壓卡材料。相關研究成果以"Colossal Barocaloric Strength in Plastic Ag2Te1-xSx with High Density"為題發表于Advanced Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.202519224)上。
制冷技術革新是人類文明進步的重要標志。當前廣泛采用的氣體壓縮制冷技術依賴的制冷劑多為強溫室氣體，與全球綠色低碳發展趨勢相悖，且經過上百年的發展，該技術能效已接近理論極限。相比之下，壓卡制冷技術利用固態材料在等靜壓作用下的熵變或溫變實現制冷，不僅環境友好，理論能效也更高，被認為是替代傳統制冷方案的有效候選技術之一。然而，當前該領域研究多聚焦于提升材料的質量熵變，對體積熵變及其實際應用價值的關注相對不足。
更高的體積熵變意味著實現相同制冷量所需的材料體積更小，將直接推動承載容器的小型化。研究團隊通過有限元模擬證實，在相同制冷量和等靜壓下，承載容器尺寸的縮小會顯著增強其抗壓性能，進而為容器壁厚有效減薄提供可能，最終實現系統的二次減重。這一模擬結果表明，高能量密度壓卡材料在實現制冷系統輕量化與緊湊化方面具備巨大潛力。然而，目前已知材料的體積熵變值普遍偏低，制約了其實際應用。
為解決這一難題，研究團隊研發了一種新型高密度Ag2Te1-xSx材料。研究表明，在僅70 MPa的中等驅動壓力下，該材料實現了0.478 J·cm-3·K-1的可逆體積熵變，刷新了當前無機壓卡材料的最高紀錄。其壓卡強度高達6.82 mJ·cm-3·K-1·MPa-1，不僅遠超多數已報道的無機壓卡材料，甚至優于新戊二醇等經典的有機龐壓卡材料。進一步研究表明，該材料巨大的體積壓卡效應源于壓力誘導的立方相至單斜相結構轉變(相變時晶格體積變化約為5.4%)，以及相變過程中銀離子擴散動力學的顯著變化。值得一提的是，該材料體系還具備較高熱導率(2.02–2.28 W·m-1·K-1)，有助于實現高效熱交換，進而提升制冷效率；同時，還顯示出良好塑性，可輕松加工成1毫米級小球或0.5毫米以下薄片；更重要的是，經過劇烈塑性變形、熱沖擊循環及反復壓力加載/卸載后，壓卡性能仍保持穩定，顯示出優異的服役可靠性。
該研究明確了能量密度在推動壓卡制冷系統小型化與輕量化的關鍵作用，并研發了新型Ag2Te1-xSx固態壓卡材料，實現了體積壓卡效應、力學加工性能和熱學性能的協同優化，為下一代綠色制冷技術的開發提供了新的思路與材料平臺。
劉可可、張雪凱、施國有為論文的共同第一作者，童鵬、林建超、房雷鳴為本文通訊作者。此項研究工作得到國家自然科學基金、安徽省自然科學基金、合肥物質院院長基金等項目的資助。
圖：壓力容器重量與體積熵變關系，Ag2Te的壓卡性能與機理
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