香港科技大学成功研制出新型弹性合金，温度变化达普通金属20倍

香港科技大学（港科大）工学院的研究团队成功研制出一款新型弹性合金Ti₇₈Nb₂₂，该材料具备高效固态制热效能，而且在弹性变形过程中所表现的可逆温度变化能力，为普通金属的20倍，为传统的蒸气压缩制冷和热泵技术提供环保的绿色替代方案。

港科大机械及航空航天工程学系教授孙庆平（左）及研究助理教授黎桥（右）展示其团队研发的Ti₇₈Nb₂₂新型弹性合金。

全球近一半的能源消耗用于供热，包括建筑供暖和工业供热。现时，全球主要通过燃烧化石燃料供热，不仅产生大量温室气体，而且消耗大量能源。固态相变热泵是较为环保的替代方案，但其能效却局限于卡诺极限的50%至70%。如何突破这能效瓶颈，一直是全球面临的重大挑战。

为应对这个挑战，港科大机械及航空航天工程学系孙庆平教授的研究团队提出利用弹性变形产生的温度变化实现制热。虽然这种热弹效应（Thermoelastic effect）早在19世纪就由著名科学家开尔文、焦耳和杜哈梅尔发现，但常规金属的热弹效应非常微弱，因而无法应用。孙教授的团队研发出具有[100]织构的Ti₇₈Nb₂₂马氏体多晶合金，该材料在弹性变形时表现出4–5 K的可逆温度变化——达到普通金属（通常仅约0.2 K）的20倍。而且，新材料的热能效达到卡诺极限的90%，媲美商用蒸汽压缩制热能效。

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图1：实现大热弹效应的基本思路和材料

团队进一步发现，某种特定的铁弹性马氏体合金具备更佳的热膨胀特性，可实现高达22 K的温度变化。这项研究为绿色热泵产业展现出极具潜力的发展前景，并首次提出基于非相变原理的绿色高效供热解决方案。

孙教授表示：「这项发现从根本上改变了热弹效应过于微弱、难以应用的传统认知。我们的研究证明了仅靠弹性变形就能实现高效固态制热。」

图2：[100]织构Ti₇₈Nb₂₂合金的热膨胀和弹性变形行为

图3：[100]织构Ti₇₈Nb₂₂合金的热弹效应

图4：不同马氏体单晶的绝热温度变化预测

论文第一作者、港科大机械及航空航天工程学系研究助理教授黎桥补充道：「随着全球脱碳进程加速，该技术为替代化石能源供热提供了变革性方案。我们目前正积极开发用于工业的原型热泵装置。」

研究成果最近在《自然通讯》发表，论文题为「Large Thermoelastic Effect in Martensitic Phase of Ferroelastic Alloys for High Efficiency Heat Pumping」。本研究获香港研究资助局策略专题研究资助金及优配研究金资助，相关技术已申请国际专利。（香港科技大学）