Nat. Commu.：纳米金刚石，提高10倍！

电卡制冷技术基于电介质电容器的充放电，实现高效制冷。EC陶瓷和聚合物因其高能量可逆性、高回收率、简易驱动和紧凑结构，备受关注。这些材料适用于现有大规模生产工艺，展现出固态制冷技术的潜力。通过主动电热再生循环验证，EC设备可实现大温度跨度，媲美传统制冷技术。静电驱动的聚合物薄膜制冷器是重要突破，适用于受限环境。但为提升总功率，需增加EC材料，导致工作体增厚和传热时间延长。因此，研究需探索更高效的EC材料以提高制冷性能。

EC聚合物因柔韧性、低密度和电学稳定性在制冷中作用显著，但低热导率（0.2 W·m−1·K−1）和高电场需求是其效率挑战。富含聚合物的纳米复合材料有望提升ECE和热导率，同时保持软材料特性。常用高介电常数（k）铁电无机氧化物纳米粒子作填料，可放大电场变形，促进界面极化，增强ECE。Chen等人通过（P(VDF–TrFE–CFE)）/ZrO2纳米复合材料改善了极化和ECE，ZrO2的介电常数（ε~30）与基础三元聚合物（ε~45）相近，界面内场变形显著。

上海交通大学钱小石教授课题组通过在弛豫铁电聚合物P(VDF-TrFE-CFE)中创新性地引入低介电常数纳米金刚石填料(ND)，成功实现了电卡制冷效应、导热性能及击穿场强的显著提升。这一成果在《Nature communications》上以“低介电纳米材料助力高介电铁电聚合物实现可持续电卡制冷”为题发表。研究团队在市售弛豫铁电聚合物中引入ND，旨在优化纳米复合材料的导电率、电学稳定性和热导率。通过降低聚合物电介质的介电响应，混合物在添加少量ND后，显著增强了极化和ECE性能。特别地，当ND含量为2.6%时，ECE提升高达60%，较之前报道的高介电常数填充物性能提升近70%。同时，由于ND含量较低，纳米复合材料的热导率也提升了75%，为电卡制冷技术的可持续发展提供了新途径。

通过原位XRD实验表明ECE的提升源于纳米复合材料中非极性-极性相变能垒的降低。静电力显微镜（EFM）测试揭示ND-聚合物界面电位显著增长，这可能直接增强了材料的极化性能。基于ECE与导热性的双重提升，我们开发了连续旋转循环的EC制冷装置模型。数值分析显示，纳米复合材料作为核心制冷元件可大幅增强EC设备的制冷能力和效率。在10K温差下，采用T-ND-2.6%纳米复合材料的制冷装置，其制冷系数（COP）高达5.3（三元共聚物仅为0.8），且制冷功率保持在240W以上，较纯三元共聚物装置提升10倍。

图1. 基础三元共聚物和 ND 掺杂纳米复合材料的总体性能。

图2. SAXS 和原位 WAXD 测试表明，低 k ND 可以降低三元共聚物相变的能量势垒。

图3. 极化增强主要原因的特征。

图4. 掺入 ND 的纳米复合材料的环保性。

图5. 基于流固耦合的电子制冷机的制冷性能。

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