一、 【导读】
全球气候变暖与城市化进程的加速，使制冷、空调和热泵系统的电力消耗已占全球总用电量的25%–30%，且这一需求预计在未来数十年内持续攀升。当前主流的蒸汽压缩制冷技术面临双重困境：一方面，常用制冷剂（如R134a）的全球变暖潜势高达CO₂的1300倍以上，泄漏会直接加剧温室效应；另一方面，该技术在高热流密度散热和系统微型化方面存在物理极限，难以满足后摩尔时代电子设备日益增长的热管理需求。
固态制冷技术，特别是基于热效应的磁卡、电卡和压卡技术，因其环境友好和高效率潜力而成为前沿研究方向。压卡效应是指材料在静水压力下产生熵/温度变化，可作为替代传统气体压缩循环的关键物理机制。近年来，在铁基化合物、 itinerant电子体系、氟化物、超离子导体、杂化钙钛矿、塑晶等多种发生一级相变的材料中均观测到显著的压卡效应，其中有机离子塑晶甚至展现出“巨”压卡效应和亚环境温度下的优异性能。
然而，尽管在各类材料中发现了丰富的压卡效应，高性能金属压卡材料的预测性设计仍面临根本性挑战。压卡响应的大小受一级相变过程中晶格、电子和热力学自由度之间的复杂耦合控制，但目前对这些贡献如何跨越不同长度和时间尺度产生并相互作用的定量理解仍然缺乏。现有计算方法各自存在局限：经典分子动力学虽能捕捉相变动力学和微观结构演化，但往往缺乏严格的热力学一致性；CALPHAD热力学建模可构建温度-压力相图，却无法直接获取原子机制和熵分解信息；第一性原理计算和ab initio分子动力学虽能精确解析电子结构和振动贡献，但通常局限于小体系规模和短时间尺度。这些方法往往孤立应用，导致跨尺度不一致，限制了预测能力。
二、【成果掠影】
针对上述挑战，来自福耀科技大学首届硕士生陈如颖联合导师石仁海及数智技术中心李永刚老师等人，共同开发了一个闭环多尺度集成计算材料工程（ICME）框架，将准谐波热力学建模、密度泛函理论（DFT）和分子动力学（MD）模拟自洽地整合于一体。以镁（Mg）作为代表性模型体系，该框架定量捕捉了压力诱导的hcp→bcc相变及其相关的压卡响应，并在各尺度间保持了一致性。
核心热力学结果：通过CALPHAD兼容的物态方程模型，研究构建了镁的高精度P-T相图（优化后R²达97.46%）。在近室温条件（压力约52 GPa）下，hcp→bcc相变产生的等温熵变高达76.4 J·kg-1·K-1，绝热温变可达约24.1 K（在ΔP=0.13 GPa条件下）。该熵变值在所有已报道的金属压卡材料中处于最高水平，其压卡强度（|ΔS_max|/ΔP）高达2.6 J·kg-1·K-1·MPa-1，远超大多数其他金属压卡材料。
熵分解机制：通过AIMD模拟的定量分解表明，相变熵变中振动贡献占主导（约89.5%），电子贡献占次要地位（约9.6%），与费米能级附近态密度增强相关，而构型贡献可忽略不计。这一完全加和的熵预算得益于镁的相变不涉及磁性自由度，与磁结构耦合体系（如Ni-Mn基Heusler合金）中磁熵变与结构熵变部分抵消的情况形成鲜明对比。
相变机制：经典MD模拟揭示了一条剪切耦合的Burgers相变路径，将晶格动力学与宏观熵变联系起来。相变过程中hcp的棱柱面转变为bcc的
面，取向关系为
_hcp ∥
_bcc和
_hcp ∥
_bcc，与经典Burgers机制一致。
性能评估：制冷能力（RC）随压力变化（ΔP）单调增加，而性能系数（COP）则逐渐降低，揭示了制冷能力与能效之间的内在权衡。镁的高热导率（约156 W·m-1·K-1）比领先的巨压卡塑晶高出两到三个数量级，显著缓解了大熵变与高效热交换之间的固有矛盾。
三、【核心创新点】
- 闭环多尺度ICME框架的建立：首次将准谐波CALPHAD热力学建模、DFT计算和AIMD模拟、以及经典MD动力学模拟整合为一个双向耦合、自洽一致的闭环工作流。宏观热力学预测由原子尺度模拟验证，微观动力学模拟为宏观相变行为解释提供依据，区别于以往平行、非沟通的多尺度模拟方法。
- 熵贡献的精确量化分解：首次在金属压卡材料中实现了振动、电子和构型熵贡献的严格定量分离，明确揭示了振动熵（约89.5%）的主导地位和电子熵（约9.6%）的次要贡献。这一分解为理解压卡效应的物理起源提供了清晰的原子层面图景。
- 相变机制与压卡性能的直接关联：通过多尺度模拟建立了从剪切耦合Burgers相变路径到宏观熵变和压致冷响应的完整物理链条，实现了原子机制与宏观热力学性能的直接桥接，为材料设计提供了机理驱动的指导。
- 从模型验证到设计原则的提炼：在成功验证框架预测能力的基础上，提炼出具有可迁移性的金属压卡材料设计原则：高晶格压缩性、振动熵主导、有利的电子结构特征（费米能级附近态密度增强），以及最小化竞争性熵贡献（如磁性）。
四、【数据概览】
图1 镁金属的压卡效应。
图2 金属压卡材料的设计策略。
图3 镁金属的热力学评估。
图4 基于AIMD模拟的镁相变特征的原子尺度洞察。
五、【成果启示】
本研究建立的闭环多尺度ICME框架为金属压卡材料的预测性设计提供了可推广的计算策略。通过对镁的系统研究，获得了以下关键启示：
1. 物理机制层面的认识：镁中hcp→bcc相变的巨压卡响应主要源于振动熵的主导贡献（约89.5%），这直接关联于bcc相中低频频声子的累积；电子熵的次要贡献（约9.6%）来自费米能级附近态密度的显著增强；构型熵因两相近邻局域结构的高度相似性而可忽略。这一清晰的物理图像表明，在设计金属压致冷材料时，应优先考虑能够产生软声子模式和晶格软化的结构特征。
2. 理论预测与工程应用的区分：本工作预测的巨熵变发生在热力学相边界附近（纯镁近室温转变压力约52 GPa），远高于已实际应用的Ni-Mn基Heusler合金的工作压力（数百MPa）。因此，纯镁当前并不具备操作压力上的优势。然而，该工作的重要意义在于展示了无磁性干扰金属体系的固有理热力学潜力，并建立了一套能够定量预测压力诱导相变和熵变的多尺度框架。框架本身为通过合金化降低转变压力同时保持高压缩率、加和性熵贡献和优异热导率的未来合金设计策略提供了预测性工具。
3. 可迁移的设计原则：基于研究结果提炼出的可迁移性设计原则包括：（i）高晶格压缩性和相变过程中的显著体积变化；（ii）源自软声子模式的强振动熵贡献；（iii）费米能级附近增强态密度的有利电子结构特征；（iv）最小化竞争性熵贡献（如磁性）。
4. 方法论贡献：该工作提供了普适性的计算策略，将多尺度建模与材料设计相连接，为发现具有实际应用条件的压卡材料开辟了路径。未来工作应进一步将该框架应用于更广泛的金属压卡体系，并通过实验验证设计原则的普适性。此外，相变过程中的亚稳态过渡态演化对热滞和循环稳定性的影响，以及非平衡耗散过程对实际压卡性能的限制，有待于进一步的亚稳态过渡态理论或高压实验研究。
原文详情：
Renhai Shi, Ruying Chen, Yonggang Li, Jian-Zhong Jiang, Zhaoxuan Wu, A Closed-Loop Multiscale Computational Framework for Predicting Barocaloric Effects: Entropy Decomposition and Transformation Mechanisms, Acta Materialia (2026) 122594. DOI:10.1016/j.actamat.2026.122594.
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