港科大做出全球首个零衰减制冷装置，百万次循环性能不减

2026-09-21 06:25·科学剃刀

港科大团队做出全球首个“零衰减”弹性卡制冷装置。一百万次循环后，制冷性能没有可测量的退化。

一百万次是什么量级

一秒跑一个循环，得不停跑十一天半。材料力学里，10⁶到10⁷次循环是金属部件的疲劳极限区，跨过这条线，才算进长寿命门槛。固态制冷赛道上，“不衰减”比“效率再高几个点”重要得多。

一根金属丝，拉热松冷

弹性卡效应就是应力致热。拿一根镍钛合金丝，拉伸放热，松开吸热。 背后是应力诱导马氏体相变。奥氏体熵高，马氏体熵低。加应力，奥氏体切马氏体，熵降，热甩出去；撤应力，切回奥氏体，熵升，从环境吸热。一放一吸，构成制冷循环的冷热两端。 工质是固体，没有制冷剂，没有压缩机，没有会泄漏的氟利昂。传统空调靠蒸汽压缩，HFC类冷媒的全球变暖潜势是二氧化碳上千倍。基加利修正案要求全球削减HFCs，中国2021年接受，2024年用量冻结，之后逐年砍。空调保有量还在涨，冷媒必须减，缺口总得有人补。

几十年卡在哪

弹性卡效应不新鲜，上世纪就有论文。卡住工程化的一直是疲劳。 结构疲劳：反复相变变形，微观缺陷累积，裂纹萌生扩展，最后断裂。镍钛丝拉伸工况下一两万次就可能开裂，跟空调需要的亿次量级差四五个数量级。 功能疲劳更隐蔽：材料没断，性能先垮。相变温度漂移，滞后变宽，残余应变越攒越多，每次循环的绝热温变越来越小。装置还活着，制冷能力已经死了。 核心命题从来不是“能不能制冷”，是“能不能一直制冷”。

零衰减靠什么

▲ 弹热制冷为传统制冷提供了一种有前景的绿色替代方案。（示意图）Sirichok

一百万次后性能曲线没有可测量退化。这说明不是单晶、不是毫克级样品，是能跑完整循环的装置。材料、加载方式、结构设计、换热回路得同时扛住。 通常靠三条叠加：材料上，用成分和微观结构把相变做成低滞后、高相容路径；加载上，用压缩代替拉伸，裂纹在拉伸下最易萌生，压缩工况寿命能提几个数量级；结构上，把材料做成管、片、束，应力分布更均匀，换热面积做上去。 单拎都不新，难的是同时成立，还要在器件尺度成立。一百万次就是这个证明。

全球谁在跑

卡效应制冷是个大家族。磁卡靠磁场，用钆、镧铁硅；电卡靠电场，用弛豫铁电陶瓷和聚合物；弹卡温度跨度大、材料便宜，但最难过疲劳关。 美国能源部有CaloriCool联盟，欧盟Horizon项目砸了不少钱，日本在磁卡和弹卡样机上做了多年。 中国底子不薄。镍钛形状记忆合金，中国是全球最大生产和消费国之一。心血管支架、牙矫丝、眼镜架、手机天线背后，是一整套成熟的熔炼、拉丝、热处理、精密加工能力。港科大、西安交大、北航、中科院金属所，队伍不单薄。

跟普通人有什么关系

国际能源署数据显示，空调和电扇已吃掉全球建筑用电约五分之一。增量主要在东南亚、南亚、非洲、拉美——最热、电网最紧张的地方。国内制冷能耗占比年年往上走，大型数据中心制冷能耗能占总能耗三到四成。加上新能源车电池热管理、冷链物流、芯片级散热，全是制冷需求。

但别急着说颠覆

功率密度：目前固态制冷样机多在瓦级到百瓦级，家用空调要千瓦级。 系统集成：弹卡装置需要驱动机构施加撤除应力，还要配回热器拉开温差。单级弹卡绝热温变约二十开尔文，室内外温差需求通常三十到四十开尔文。做小、做便宜、做可靠，是另一回事。 长期服役：家用压缩机设计寿命十几年，按每天几千次循环算，是十亿次量级。实验室恒温恒湿，真实环境有灰尘、振动、腐蚀。 成本：镍钛合金不便宜，结构件和驱动件也不便宜。 更现实的落地路径，不是先啃家用空调，而是先做对成本不敏感、对可靠性和环保要求高的场景——芯片散热、精密仪器温控、特定工况冷链。 全球跑了二十多年，固态制冷一直卡在“能用”和“耐用”之间。港科大这次把弹卡从演示设备往工程设备推了一大步。一万次到一百万次之间的距离，往往比零到一万次更远。

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