近日，北京理工大学前沿交叉科学研究院/材料学院黄厚兵特别研究员在相场模拟设计铁电材料微结构方面取得突出成果，与上海交通大学钱小石团队合作，以通讯作者在《Nature》上发表研究成果：“High-entropy polymer produces a giant electrocaloric effect at low fields”，通过精巧设计分子缺陷调控弛豫铁电材料结构，制备了一种极化高熵高分子，显著提高低电场下的巨电卡效应，首次将制冷循环寿命提高到逾百万次。这也是黄厚兵课题组继Science, 366, 475-479 (2019), Science, 374, 100-104 (2021)和Science, 371, 1050-1056 (2021)合作发表的第四篇正刊论文。
电卡制冷效应是一种奇异的物理现象，利用电介质可逆电致相变组成热力学循环，逆着温度梯度输运热量。电卡制冷技术基于固态制冷，具有零温室效应潜能、易于小型化/轻量化、高能效等特点，是实现双碳目标的重要颠覆性前瞻技术之一。然而，目前最优的制冷电介质仍需极高外加电场方能产生工业化可用的降温效果，而高电场在实际样机工作过程中极易造成材料老化与击穿，因而如何提升材料在低电场下的电致熵变是领域内重要研究方向。
图1 黄厚兵课题组围绕铁电材料微观畴结构决定铁电性能，利用相场模拟揭示了铁电畴翻转和相变的微观机制。
不同于当前广泛通过复合材料增强极化强度提高电卡效应的研究范式，本文反其道而行，采取设计高熵高分子提升熵变（增大零场熵）。在同等外加电场（50 MVm-1）的驱动下，这种极化高熵材料表现出的电致熵变是目前最优制冷高分子的近4倍。
相场模拟方法的优势在于揭示多物理场耦合机制，构建了铁电多场耦合机制的相场模型，揭示了铁性材料中极化强度-应变-热多场耦合复杂相互作用物理机制。通过相场模拟揭示了，高熵高分子同时提高系统结晶度，并降低晶粒尺寸，因此材料内呈现极化基元数量的极大增长，降低了畴结构之间的耦合关联，系统具有更高的自由度与极化熵。
此项研究，上海交通大学钱小石副教授为本文第一作者与通讯作者，洪亮教授、黄兴溢教授与北京理工大学黄厚兵特别研究员为共同通讯作者，北京理工大学前沿交叉科学研究院/材料学院博士后施小明为合作者。
来源：北京理工大学
文章链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-021-04189-5
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