在现代工程领域，追求高效的热管理已成为一项至关重要的挑战。这项挑战影响着从建筑物的能源消耗到先进电子产品的性能，其重要性不言而喻。传统的供暖和制冷系统通常依赖于蒸气压缩循环，而这种循环需要使用制冷剂，但制冷剂对环境有着显著的负面影响。因此，研究的重心正日益转向那些能提供更高能效和可持续性的替代技术。而在这个领域中，一个新兴的领域聚焦于新型材料的开发和应用，特别是弹性合金、形状记忆合金以及先进的碳基材料，这些材料有望彻底改变我们调节温度的方式。
一个重要的突破来自于香港科技大学（HKUST），他们开发出了一种新型弹性合金Ti78Nb22。这种材料展现出非凡的性能，其加热或冷却效率是传统金属的20倍，这得益于一种由热弹性效应驱动的固态热泵机制。与依赖于压缩和膨胀气体的传统系统不同，这种合金利用与材料本身拉伸或压缩相关的能量。这种方法承诺了一种更环保的替代蒸汽压缩方式，从而无需使用有害的制冷剂。其核心原理在于材料在受到机械应力时会发生可逆的温度变化（ΔT），这为实现高效且环保的供暖和制冷解决方案提供了途径。这不仅仅是一项渐进式的改进，更是对热能管理方式的一种根本性转变，它可能让我们摆脱笨重的压缩机，而转向无声且可伸缩的金属。
这些材料的潜力远不止于取代现有技术。例如，形状记忆合金（SMAs）已经应用于生物医学植入物、航空航天结构和精密机器人领域，这证明了它们的通用性。它们的性能与热参数密切相关，特别是热膨胀。而微结构工程是控制这种膨胀的关键方法，有助于针对特定的供暖和制冷应用优化SMAs。此外，形状记忆聚合物（SMPs）的工作机制为温度响应材料提供了另一种途径。这些聚合物可以被设计成对热作出反应，发生形状或特性的变化，这为智能纺织品和自适应建筑材料开启了可能性。弹热制冷是一项相关的技术，它利用与SMAs中马氏体相变相关的潜热，为传统制冷系统提供了一种有前景的替代方案，具有显著的节能潜力，并能实现大幅度的温度提升。开发用于废热回收的弹热冷却器，例如来自质子交换膜的废热回收，进一步突出了利用这些材料来提高整体能源效率的潜力。
除了合金和聚合物之外，碳基材料在热管理中也扮演着越来越重要的角色。碳纳米管和金刚石等材料具有优异的导热性，非常适合需要高效散热的应用。它们正在被应用于热界面材料（TIMs），这对于管理电子设备中的热量至关重要，并且也在燃料电池技术中发挥作用。TIMs的制造是一个活跃的研究领域，旨在优化其性能和可靠性。此外，正在探索创新的制造途径，以生产超高温陶瓷基复合材料，从而增强其在极端热环境下的性能。即使在消防安全领域，也在不断取得进展，基于水凝胶的技术提供了改善的锂离子电池灭火能力，解决了能源存储系统中的一个关键安全问题。热管理的更广泛背景还包括传统的材料，如铝合金，它们在较低温度下表现出越来越高的强度，并且在热交换应用中至关重要。铜合金以其高导热性和导电性而闻名，也是冷却板和热交换器的必备材料。
在诸多技术发展趋势下，热管理领域正在经历一场由材料科学创新驱动的重大变革。高性能弹性合金（如Ti78Nb22）的开发代表了一种范式转变，它提供了实现更高效、更可持续的供暖和制冷技术的潜力。再加上形状记忆合金、聚合物和碳基材料的进步，以及对各种应用（从建筑围护结构到卫星热控制）的制造技术和热管理策略的持续研究，温度调节的未来似乎已经准备好迎接一场革命。机器学习的整合，例如在热电材料的开发中用于优化材料特性，进一步加速了这一进程，为更节能和对环境负责的未来铺平了道路。
发表回复