从竹节结构获得灵感，让制冷材料寿命突破1亿次！ 随着空调、冷链和建筑制冷需求不断增长，如何在降低能耗的同时摆脱高全球变暖潜能值制冷剂，成为制冷行业面临的重要挑战。近年来，利用形状记忆合金可逆相变吸放热的弹热制冷技术，被视为绿色制冷的重要方向。与传统蒸气压缩制冷不同，它以固态合金承担制冷功能，无需依赖常规气态制冷剂。然而，材料从实验室走向实际设备并不容易：既要加工出足够大的换热表面，又要经受数以亿计的反复受力，还必须控制制造成本。现有镍钛合金薄壁管容易屈曲、开裂，精密加工又费时费钱，“制冷能力、使用寿命和制造成本”始终难以兼顾。 今日，香港科技大学机械及航空航天工程学系讲座教授孙庆平教授、黎桥研究助理教授和Xueshi Li提出一种简单而巧妙的“冲压—堆叠”（stamping and stacking，S-S）制造策略：先把商用镍钛合金薄片冲成蜂窝状多孔芯片，再像搭积木一样逐片叠放，组装成制冷回热器。新结构在800 MPa循环压缩下经受1亿次相变循环而未发生屈曲或断裂；相较传统线切割加工，制造成本降低约95%，制成的原型装置实现3.85 W/g的比制冷功率。这项工作将结构设计、加工效率与长期可靠性结合，为固态绿色制冷的规模化应用提供了新思路。相关成果以“Stacked porous NiTi structure with low cost and ultrahigh fatigue life for elastocaloric cooling”为题发表在《Science》上，Changfeng Su为第一作者。 要理解这项研究的巧妙之处，首先要看研究人员如何重新设计“制冷材料的形状”。以往为了让流体快速带走热量，常把镍钛合金加工成薄壁管、翅片或复杂流道；换热面积虽然增大，薄弱的自由端却容易在反复压缩中失稳。受竹节与蜂窝结构启发，研究团队不再依赖一根连续的长薄壁管，而是在镍钛薄片上冲出密集圆孔，再沿轴向精准叠合。流体可以沿对齐的孔道穿过，合金则由一层层短芯片共同承载压力，既保留了换热通道，也减少了结构屈曲风险（图1a、图1b）。在具体设计中，每片芯片尺寸约4 mm×4.35 mm，设置17个直径0.6 mm的圆孔，孔间壁厚0.3 mm；其单位体积表面积达到2.73 mm⁻¹，材料截面利用率为71.5%。研究人员将200片芯片装入聚甲醛套管，形成整齐的30 mm长制冷单元。更重要的是，这种结构可以直接使用商业镍钛薄板进行冲压，不必从整块合金中一点点切出流道。图1c显示，相比线切割方法，单位质量制造成本从87.9美元/克降至5.07美元/克，同时展示出更长的耐疲劳寿命。看似简单的“叠片”，实际上同时改变了材料的受力方式和生产方式。 图1： 仿竹节、蜂窝结构的多孔镍钛芯片设计、冲压堆叠工艺及成本对比。 新的制造工艺究竟比传统方法强在哪里？研究团队采用冲压堆叠、线切割和增材制造三种工艺，制备了横截面几何形状及尺寸相同的镍钛制冷单元（图2a）。结果发现，冲压速度可达每分钟100片，加工速度比另外两种方法高出100倍以上。其优势不仅是快：在800 MPa压缩应力下，冲压堆叠样品首次循环的绝热温降达到16.5 K，而线切割与增材制造样品分别只有9.2 K和5.8 K（图2b）。研究人员认为，这与所使用商用镍钛薄板的纳米晶组织密切相关，其晶粒尺寸约为40—50 nm，有助于获得较好的弹热性能与循环稳定性。更令人关注的是持续循环后的表现。在高达1亿次的压缩相变循环后，叠片结构仍未出现整体屈曲或断裂，X射线CT证实内部流道保持完整（图2c、图2d）。与此同时，材料并非毫无衰减：绝热温降由初始16.5 K下降至12.4 K，保留约75%的初始水平（图2f）；透射电镜观察显示，位错和残余马氏体逐渐累积（图2g）。有意思的是，虽然单次温降下降，应力—应变曲线中的滞回损耗却明显减小（图2e），材料层面的性能系数由7.47提高至22.79。这意味着循环过程的能量耗散减少，并不代表材料的绝对制冷能力随之增强。 图2： 三种制造工艺的性能比较，以及叠片结构1亿次循环后的稳定性与组织演化。 为什么这些薄片能够经受如此多次压缩？答案藏在裂纹的传播路径中。扫描电镜观察发现，疲劳裂纹主要从芯片外侧表面的原有微缺陷处萌生，先沿受压方向延伸，抵达芯片上下表面后，再向内部横向扩展（图3a、图3b）。对10片经历1亿次循环的样品统计显示，95.7%的裂纹长度不超过100 μm，只有4.3%超过这一范围（图3c）。而芯片内部的流体通道表面即使经过长时间循环，也没有检测到裂纹。这种现象揭示了叠片结构真正的抗疲劳机制：单片内部即便形成裂纹，裂纹向相邻薄片纵向扩展的路径也会被层间边界阻断（图3d）。相当于将原本可能贯穿整个制冷管的长裂纹“切断”在局部，避免裂纹一路扩展引发整体劈裂。与依赖