Assessing and tackling the barocaloric fatigue for applicable solid-state refrigeration

実用可能な固体冷凍技術のためのバロカロリック疲労の評価と対策

Xue, J.*; Huang, D.*; 服部 高典   ; Li, L.*; Feng, Y.*; Wang, H.*; Fan, X.*; Yao, J.*; Wang, Y.*; Liu, Z.*; Li, B.*

Xue, J.*; Huang, D.*; Hattori, Takanori; Li, L.*; Feng, Y.*; Wang, H.*; Fan, X.*; Yao, J.*; Wang, Y.*; Liu, Z.*; Li, B.*

NHIのサイクル疲労およびバロカロリック応答は、最大100MPaの応力を伴う加圧・減圧サイクル下で直接評価され、100サイクルの後に断熱温度変化()は15Kから約0.8Kまで減少した。emphその場X線回折、ラマン分光法、および中性子回折を併用した解析により、最初の荷重除去後であっても残留高圧相が存在することが明らかになり、その割合は100サイクル目までに急速に90%まで増加した。この疲労挙動を解明するために現象論的モデルが構築され、実験データとの良好な一致が得られた。粒界応力を緩和し、結晶粒の移動性を高めるため、NHI粒子とシリコーンオイルからなる複合体を、3Dプリントされたポリマーシェルに封入した。このような構造設計により、バロカロリック効果のサイクル安定性が著しく向上し、100サイクル後でもは約4.6Kまで上昇した。我々の結果は、気圧熱効果の疲労挙動に関する基礎的な理解を確立するとともに、実用的な気圧熱冷却技術への実現可能な道筋を示すものである。

The cycling fatigue and barocaloric response of NHI is directly assessed under loading--unloading cycles with stress up to 100,MPa, with the adiabatic temperature change () decaying from 15,K to approximately 0.8,K after 100 cycles. X-ray diffraction, Raman spectroscopy, and neutron diffraction concertedly reveal the existence of the residual high-pressure phase even after the first unloading, whose fraction is rapidly increased to 90% at the 100th cycle. A phenomenological model is developed to elucidate this fatigue behavior, and an excellent agreement with experimental data has been achieved. To relieve the intergranular stress and enhance the mobility of grains, we encapsulate the composite of NHI particles and silicone oil into a 3D-printed polymer shell. Such an architectural tailoring has markedly improved the cyclic stability of the barocaloric effect with rising to c.a. 4.6,K after 100 cycles. Our results establish a fundamental understanding of the barocaloric fatigue behavior and pave a feasible route to applicable barocaloric cooling technology.