新型多层电容器实现室温跨温区电制冷

近期，《自然》（Nature）期刊发表了一项关于电致冷（Electrocaloric, EC）效应的突破性研究。研究人员开发出一种基于锆钛酸铅-钨酸镁（PST–PMW）固溶体的新型多层电容器，成功实现了跨越室温的大规模电致冷效应。这一成果解决了长期以来固态制冷技术难以在室温及以下温度高效运行的瓶颈，为食品保鲜、医疗冷链及建筑环境调节等领域提供了极具潜力的技术替代方案。

突破室温限制的材料创新

传统电致冷材料多依赖铁电相变，其居里温度通常较高，导致制冷效果仅在室温以上显著。尽管已有原型机利用多层电容器（MLCs）实现接近室温的冷却，但要将负载温度降至室温以下仍面临巨大挑战。现有的改性PST材料在室温以下的电致冷效应微弱（≤1.6 K），而其他陶瓷材料如反铁电体PMW，其效应会在穿越室温时衰减甚至反转，热力学上无法用于制冷。

研究团队通过引入钨酸镁（PMW）对PST进行稀释，巧妙地放大了价态失配，从而在无需长时间高温退火的情况下，保持了高B位有序度和巨大的相变潜热。同时，这种掺杂破坏了偶极有序，将居里温度降低至230 K左右。实验表明，85% PST-15% PMW和90% PST-10% PMW两种成分均能在加热过程中保持优异的B位有序结构，其晶格参数分别为8.13 Å和8.14 Å，且无需经过耗资巨大且耗时42天的传统退火工艺。

卓越的电致冷性能与效率

在电场驱动下，这种新型多层电容器表现出超临界电致冷效应。当施加17.1 V/μm（约600 V）的电场并循环超过10^7次而不发生击穿时，器件在室温及远低于室温的区域实现了约3 K的有效温降。间接测量显示，其峰值电致冷熵变|ΔS|高达34 kJ/(K·m³)，等温热|Q|约为10 MJ/m³，远超传统PST材料。

通过构建类似布雷顿循环的理想流体再生器模型，研究团队评估了该材料的制冷潜力。假设具备的功回收率（实际已证明可达99%以上），基于85PST–15PMW多层电容器的制冷循环效率在70%至90%之间。具体而言，当温差跨度为10 K时，效率约为70%；当温差跨度扩大至30 K时，效率可提升至90%。这一效率水平显著优于现有的磁致冷工作体，后者通常在狭窄的温度范围内表现平平。

无需退火的工艺优势

该研究的核心突破在于材料制备工艺的简化。传统高介电强度的PST多层电容器需要在1,400 °C下高温烧结以实现致密化，这会破坏原有的B位有序结构，因此必须经过长达42天的退火处理来恢复有序度。而纯PMW材料仅需950 °C低温烧结即可致密，且能保留有序结构。本研究采用的PST–PMW固溶体在1,250 °C的中温下烧结，既满足了致密化需求，又因Sc³⁺与Mg²⁺、Ta⁵⁺与W⁶⁺之间的价态和尺寸失配被放大，自发维持了高B位有序度，从而彻底省去了昂贵的退火步骤。

微观结构分析进一步证实了这一优势。通过高分辨率扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）观察，85PST–15PMW样品中的B1和B2原子柱清晰可辨，其间距与晶格参数计算值高度吻合，且高Z元素（Ta, W）与低Z元素（Sc, Mg）分布均匀，证实了良好的固溶体有序性。

这一发现标志着电致冷技术从实验室原型向实用化迈进的关键一步。对于中国电子陶瓷及制冷行业而言，掌握无需退火工艺的高性能铁电材料制备技术，不仅能大幅降低生产成本，更能在固态绿色制冷领域抢占技术高地。随着对能效要求的日益严格，这种高效、紧凑且无运动部件的制冷方案有望在高端消费电子和精密仪器温控市场中迅速崛起。