北京科技大学研究团队：液态金属助力聚氨酯实现高效、低应力弹热制冷

研究背景

传统蒸汽压缩制冷技术中氢氟碳制冷剂的广泛使用加剧了气候的恶化。因此，在全球加速迈向绿色可持续发展的背景下，开发绿色、环保且高效的制冷技术显得尤为关键。弹热制冷技术是一种极具潜力的新型制冷方式，它通过材料在应力作用下发生结构变化所产生的弹热效应实现制冷。当前对弹热材料的研究主要聚焦于形状记忆合金之上。然而形状记忆合金虽具备显著的热效应，却存在驱动力高、材料脆、寿命短、成本高等缺陷。形状记忆聚合物则是另一种潜在的弹热材料，凭借其加工简单、驱动应力低等优势逐渐受到关注，但其低导热性使得热量难以及时释放，制约了性能提升。

研究内容

北京科技大学张虎教授的研究团队联合俄罗斯车里雅宾斯克国立大学、兰州交通大学、三桥惠(佛山)新材料有限公司将低熔点、高导热的GaInSn液态金属（LM）引入聚氨酯（TPU），获得了具有高导热及高弹热性能的TPU@LM形状记忆聚合物复合材料。TPU@LM 的导热率相比纯TPU最大提升了164%，实现了热传导能力的跃升。性能表现方面，TPU@LM在弹热效制冷应用中展现出出色的性能。实验表明，在仅有约5 MPa的应力驱动下，其最大温度变化（ΔT）可达8.7 K，较纯 TPU 提高约30%；在卸载阶段ΔT同样显著增强，提升幅度为22%。同时，TPU@LM的比温度变化（ΔT/σ）高达1.39 K·MPa-1，是形状记忆合金平均值的35倍，充分展示出其在低应力驱动下的热效应优势。

该研究为形状记忆聚合物类材料性能的优化提供了全新路径。TPU@LM复合材料在导热性、弹热效应等方面表现突出，展现出其在固态弹热制冷领域的巨大应用潜力，有望为推动可持续发展提供关键技术支撑。

相关研究工作以“High-Performance Elastocaloric Refrigeration via Liquid Metal-Enhanced Polyurethane”为题发表在Advanced Functional Materials上。

图1 TPU@LM复合材料的制备及微观结构。

图2 纯TPU与TPU@LM的热性能比较。

图3 纯TPU与TPU@LM的弹热性能对比。

图4 纯TPU与TPU@LM的弹热性能循环性能对比。

图5 纯TPU与TPU@LM的不同频率下的弹热性能对比和TPU@LM与形状记忆合金的比温度变化（ΔT/σ）对比。