流风
一、 【导读】
固态制冷作为替代传统氟利昂压缩制冷的新兴方案，近年来受到越来越多的关注。在各种热效应中，压卡效应（Barocaloric Effect, BCE）因其基于各向同性压力驱动、适用材料范围广而备受青睐。然而，许多有前途的BCE材料仍面临重大挑战。例如，虽然塑晶材料展现出显著的热效应，但其导热性差，通常限制了有效热传递。相比之下，Ni-Mn基形状记忆合金（SMA）具有出色的导热性、快速的热响应和高能量密度，使其在紧凑型制冷系统中尤为适用，但其室温下往往存在熵变不足或热滞后过大的问题。
二、【成果掠影】
研究团队提出了一种基于物理描述符的设计框架，结合计算与实验方法，系统研究了Ni-Mn-Sn合金中晶格体积变化与磁矩差对BCE性能的影响。研究发现，Cu元素的掺杂不仅可以同时实现较大的晶格体积变化和较低的磁熵贡献，还能改善合金两相的几何相容性，从而筛选出具有潜力的合金成分。该成果以“Giant barocaloric effect in Ni-Cu-Mn-Sn shape memory alloys via physical descriptors driven design”为题发表在《Acta Materialia》，哈尔滨理工大学赵文彬副教授为第一作者，研究生刘宝印为第二作者，中科院金属研究所张琨副研究员和哈尔滨理工大学谭昌龙教授为论文共同通讯作者。
三、【核心创新点】
1. 该研究开发了一种由物理描述符驱动的设计框架，利用第一性原理计算来预测和优化 Ni-Cu-Mn-Sn 合金的压卡性能，从而摆脱了传统“黑箱”模型的限制 。
2. 基于此框架，研究人员成功制备了 Ni₂₆Cu₂₂Mn₄₆Sn₆ 合金，该合金在 1 kbar 的低压下表现出优异的压热性能，其等温熵变高达 -40.47 J kg⁻¹ K⁻¹，且热滞后小 。
3.创新性地运用符号回归技术，建立了一个可解释的数学模型，阐明了压力如何影响合金的相变动力学，为深入理解和进一步优化压卡材料提供了理论基础 。
四、【数据概览】
图1(a) 不同元素掺杂对Ni-Mn-Sn合金晶格体积变化率（ΔV/V0）的影响；(b) 掺杂元素对磁矩差的倒数（1/ΔM）的影响。红色星号表示性能优异的掺杂方案。
图2(a) Ni24−xCuxMn21Sn3（x = 10, 11, 12, 13）合金铁磁（FM）和反铁磁（AFM）基态的形成能；(b) 两相能量差与相变温度；(c) 不同Cu含量下奥氏体和马氏体相的晶胞体积变化（上图）及磁矩变化（下图）；(d) 晶格体积变化率与磁矩差。
图3 Ni13Cu11Mn21Sn3合金L21奥氏体与L10马氏体的分态密度（PDOS）
图4热流曲线，相图及热滞后。(a) 与 (c) Ni27Cu21Mn46Sn6合金；(b) 与 (d) Ni26Cu22Mn46Sn6合金。
图5主要BCE合金的热滞后与压力敏感系数比较。
图6合金在压力 p0=0.001 kbar、p=0.2, 0.4, 0.6, 0.8和 1.0 kbar下的相变熵。(a) 与 (b) 分别为 Ni27Cu21Mn46Sn6合金的冷却和加热过程的熵变曲线；(c) 与 (d) 分别为 Ni26Cu22Mn46Sn6合金的冷却和加热过程的熵变曲线。
图7 压力诱导熵变及可逆熵变。(a) 和 (c) Ni27Cu21Mn46Sn6合金；(b) 和 (d) Ni26Cu22Mn46Sn6合金。
图8 主要BCE合金单位压力下等温熵变与绝热温度值比较。
图9 代表性BCE合金材料的雷达图。
图10 Ni26Cu22Mn46Sn6合金预测值与真实值的关系。(a) p=0.2 kbar；(b) p=1 kbar。
五、【成果启示】
研究人员成功制备了Ni26Cu22Mn46Sn6合金。在1 kbar压力下，该合金实现了−40.47 J·kg⁻¹·K⁻¹的等温熵变，同时热滞后仅为5.3 K，其性能已处于已报道 BCE合金的前列。更为重要的是，借助符号回归方法，研究者首次建立了温度-压力-熵变的本构方程，并揭示了压力在调控马氏体相变过程中的热力学作用。
这一研究不仅深化了人们对 Ni-Mn基合金压卡效应的理解，也为未来高性能 BCE材料的定向设计提供了新思路。可以预见，Ni-Cu-Mn-Sn合金体系有望成为新一代环保、高效的固态制冷材。
原文详情：
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2025.121471
本文由流风供稿
