近日，我院王翠萍、杨水源教授团队在形状记忆合金弹热效应的固态制冷技术研究中取得重要进展，相关成果以“Achieving high-efficiency and stable refrigeration performance through composition modulation inducing non-twinned martensite”为题在线发表于国际顶级期刊《自然·通讯》（Nature Communications）上。
当前，数以十亿计的空间制冷系统严重依赖传统的蒸汽压缩技术，其使用的制冷剂是温室气体的重要来源之一。发展零排放、高能效的替代冷却技术迫在眉睫。在众多候选技术中，基于形状记忆合金弹热效应的固态制冷技术备受瞩目。其原理是利用材料在应力诱导下发生马氏体相变时，会吸收或释放热量（即弹热效应）来实现制冷。评价材料弹热制冷潜力的一个关键指标是材料性能系数（COPmat），它等于冷却能力与耗散功的比值。理想的材料应具备大的可回复应变（以产生足够的制冷量）、低的应力滞后（意味着低的能量损耗）和低的驱动应力（以降低系统能耗和体积）。然而，该领域长期存在一个“权衡”魔咒：高驱动应力、低能效与循环稳定性难以兼得。
面对这一挑战，王翠萍、杨水源教授团队设计制备了一种成分为Cu-18Zn-8Al-0.3V-0.3Si（wt.%）的单晶合金。该材料展现出一系列令人惊叹的综合性能：（1）超低能耗与超大应变：在仅251.1 MPa的极低驱动应力下，实现了高达13% 的可回复应变，而应力滞后仅为8 MPa，耗散能低至2.2 MJ/m³。这意味着它用很小的“代价”，完成了很大的“形变功”。（2）超高制冷效率：其材料性能系数（COPmat）高达17.4，远超大多数已报道的弹热制冷材料，处于性能图谱的顶尖位置。（3）卓越的稳定性：在7%应变下经过800次快速加卸载循环后，其弹热冷却性能（ΔTad = 5.1 K）未出现任何衰减。这与目前一些循环几十次后性能就显著下降的铜基材料形成鲜明对比。这些数据表明，该合金成功地同时克服了“应变-耗散功”和“驱动力-COPmat”这两个长期存在的权衡难题，实现了强度、效率与稳定性的完美统一。
图1 Cu-Zn-Al-V-Si单晶的功能稳定性
该成果不仅设计制备了一种性能卓越的弹热制冷材料，更重要的是提供了一种通过成分调制来精细调控微观结构，进而协同优化材料性能的创新策略。这种低驱动应力、高效率、高稳定性的材料特性，使得开发紧凑、节能、高可靠性的商业化弹热制冷系统成为可能。
文章第一作者是材料学院2023级博士生梅珈赫，研究工作得到国家自然科学家基金（52471209）的资助。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-65715-x
