科大研发低成本超耐久「弹卡」制冷剂结构 使用寿命逾一亿次循环

全球制冷需求持续上升，传统蒸汽压缩制冷技术因耗能高，所使用的制冷剂会加剧温室效应，令发展可持续制冷技术变得日益迫切。香港科技大学（科大）研究团队从蜂巢的多孔薄片堆迭结构取得灵感，成功研发一种低成本、超耐久的「弹卡」制冷剂结构，在测试中可持续运作逾一亿次制冷循环，估算使用寿命逾十年。这种制冷剂结构的制造方法不仅显著提升生产效率，更降低制造成本，为「弹卡」制冷技术迈向规模化应用奠定重要基础。论文以「Stacked porous NiTi structure with low cost and ultrahigh fatigue life for elastocaloric cooling」为题，已发表于国际学术期刊《科学》。

「弹卡」制冷是利用形状记忆合金的可逆相变，在反复加载和卸载过程中吸收和释放热量，为传统制冷技术提供极具潜力的固态替代方案。然而，实际应用时，形状记忆合金制冷剂结构要同时具备快速换热、高机械可靠性和低制造成本是一大难题。现有制冷剂的设计大多采用商用合金管、板材和线材，以及利用电火花线切割加工制作的薄壁结构，但往往面对生产成本高、加工效率低，或在反复加载过程中出现疲劳破坏和屈曲等问题，阻碍「弹卡」制冷技术的大规模应用。

科大机械及航空航天工程学系讲座教授、论文通讯作者孙庆平教授表示：「制冷剂结构是决定『弹卡』制冷能否从实验室原型机走向大规模生产制冷系统的关键因素。它必须同时实现快速换热、极高机械可靠性和低制造成本，然而要兼顾这三方面是极具挑战。」

为应对这些挑战，孙教授带领的团队开发出一种「冲压与堆栈」（Stamping and Stacking）方法，能将形状记忆合金薄片冲压成多孔薄片，再逐片堆栈形成管状制冷剂结构。设计灵感源自竹子和蜂巢等天然结构的高力学稳定性，使分段式堆栈结构能同时兼顾高效换热、高结构可靠性及低成本制造。这种制冷剂结构具有三大特点：

（一）快速且低成本制造：冲压工艺每分钟可制作100 片形状记忆合金多孔薄片；与电火花线切割加工方法相比，生产速度提高逾100 倍，制造成本降低约95%。

（二）超高结构耐久性：新型制冷剂结构由多片独立的多孔薄片逐层堆栈而成，而非采用传统的一体式长管结构。相邻薄片之间的界面可有效阻止裂纹在整个结构中扩展，避免灾难性的纵向劈裂失效。测试结果显示，新型制冷剂结构可承受超过一亿次运行循环；按照研究采用的运行条件估算，使用寿命可超过10 年。

（三）极佳制冷性能：研究团队利用一个长30 毫米、由200 片形状记忆合金多孔薄片堆栈而成的制冷剂单元，构建了一套「弹卡」制冷原型机。该装置实现11.7 开尔文的温跨，以及高达3.85 瓦特每克（W/g）的比制冷功率，展现极佳制冷性能。

孙教授表示：「近年的研究已证明『弹卡』制冷技术在制冷功率方面极具市场应用潜力。然而，如何以具经济效益和规模化的方式制造可靠的制冷剂结构是当前面对的难题。我们的堆栈式设计将高性能材料与高效制造工艺结合，为『弹卡』制冷剂结构的规模化生产提供了切实可行的方法。」

此外，这种堆迭式设计并不限于冲压工艺，类似的制冷剂结构亦可透过激光切割或蚀刻等规模化生产方法制作。研究团队下一步将提升制冷剂结构的换热性能，并开发更高效能的驱动系统、高性能的形状记忆合金材料等，以进一步提高「弹卡」制冷系统的能源效率和制冷能力，推动这一颠覆性技术的落地与商业化。

此研究获香港研究资助局「策略专题研究资助金」及香港创新科技署「产学研1+计划」支持，相关技术已申请多项国际专利，并推进产业化进程。是次论文通讯作者还包括科大机械及航空航天工程学系研究助理教授黎桥教授及李学师博士，第一作者为博士生苏长丰，研究团队成员包括博士生李杨和胡骥原。

是次创新成果为研究团队于一年内取得的第三项重大突破。今年一月，团队已研发出全球首台能达到摄氏零下12度的绿色「弹卡」冷冻装置，并于国际学术期刊《自然》发表成果。同年八月，团队开发出抗疲劳镍钛铜钴（NiTiCuCo）记忆合金，并构建全球首台零衰减「弹卡」制冷装置，具长期稳定的制冷能力，并于国际能源科学期刊《焦耳》发表成果。