通过织构-沉淀物协同实现TiNi的抗疲劳弹热效应

以新方式为世界降温

保持食物新鲜、数据中心正常运行以及药品安全，全都依赖制冷技术。如今的冰箱和空调多依赖对气候有害的气体和接近效率极限的机械系统。本研究探索了一种截然不同的途径：一种固态金属，在被压缩时会降温，释放应力时会回温。研究人员展示了如何通过精心安排钛-镍合金的内部结构，使其在反复的挤压—释放循环中持续产生强烈的制冷效应，即便在一千万次循环后仍能保持性能，为更安静、更环保的冰箱和热泵提供了可能。

从气体制冷到固态制冷

传统制冷通过压缩和膨胀特殊气体来实现，这种方法虽然有效，但能耗高且问题日益突出，因为许多制冷剂会在大气中捕获热量。一个新兴的替代方案使用在受力时改变内部晶体结构的固体材料。在某些金属合金中，这种结构变化是可逆的，会释放或吸收热量，类似于材料的熔化与凝固，但并不涉及液相。当这种合金在被快速卸载后，其温度可以急剧下降，这为清洁、紧凑的制冷装置提供了可行路线。

在压力下仍能保持冷静的金属

研究团队将注意力集中在一种著名的“形状记忆”金属——钛镍合金上，该合金因能恢复形状而被用于眼镜框和医疗支架。长期挑战是，在反复使用下，这类合金会逐渐开裂或失去大部分制冷能力。在这项工作中，作者设计了一种经过微调成分并含有少量氧的特殊合金。通过定向凝固——从一侧冷却熔融金属使其以对齐的晶粒结晶——他们制造出了长柱状晶粒，几乎都朝相同方向排列。在这些柱状晶粒内部，生长出致密且均匀的微米级杆状颗粒（由钛-镍-氧化合物组成）。晶粒取向与内部颗粒的组合构成了他们设计的核心。

隐藏结构如何塑造性能

由于合金的晶体排列一致，沿该方向压缩时会产生大而可控的形变，因为其内部结构从一种有序模式转变为另一种。这种模式变化直接决定了材料的加热或冷却量。实验显示，当沿纹理方向压缩时，合金的可逆长度变化超过六个百分点——对固态金属而言异常之高——且仍能恢复原状。当研究者将材料循环使用多达一千万次时，它仍保留约16开尔文的强烈制冷幅值，只较初始性能略有下降。相比之下，沿晶粒垂直方向压缩的样品很快产生不可逆应变并失去稳定性，这凸显了取向一致性的重要性。

内部的温和、均匀转变

显微镜和X射线研究揭示了该合金耐久性的原因。在许多形状记忆金属中，晶格模式的变化会以突发带状方式穿过材料，产生局部应变热点，最终导致损伤。然而在这里，结构变化更平缓并在许多位置同时发生。微小的钛-镍-氧颗粒与周围金属具有相同的基本取向，但会在邻近晶格中产生轻微的畸变。这些局部畸变使得新相更易在颗粒-基体界面处起始。在加载下，围绕这些颗粒的无数小区域会逐步切换结构，卸载时再切换回去，从而把工作分散开来，避免了剧烈的集中转换。

把金属做成类似钢筋混凝土

在更大尺度上，这种金属有点像钢筋混凝土。长而有纹理的晶粒起到混凝土的作用，而对齐的内部颗粒则像钢筋，指导并限制内部相变的扩展。压缩加载天然抑制裂纹的产生，这一点与这种“加固”结构协同作用，从而抑制损伤。高分辨率成像显示出颗粒附近存在致密但受限的晶格应变和位错区，这些区域既是相变的安全起始点，也是阻止其成长为大而破坏性区域的屏障。结果产生了一种能重复进行制冷相变而不自我撕裂的金属。

这对未来制冷意味着什么

对非专业读者而言，关键的信息是：原子和微小颗粒在金属中的排列方式会极大改变其在现实世界中的表现。通过共同设计晶体取向与内部颗粒的分布，研究人员创造出一种在数百万次使用循环中仍能提供强制冷效应的钛-镍合金。这项工作为高效、紧凑且更环保的固态制冷装置指出了一条实用路径，并提供了工程其他高性能智能金属的蓝图，使它们能够长时间、稳定地工作而不易磨损。

引用: Li, X., Liang, Q., Liang, C. et al. Fatigue resistant elastocaloric effect in TiNi via texture-precipitate synergy. Nat Commun 17, 2147 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68835-0

关键词: 固态制冷, 形状记忆合金, 弹热效应, 抗疲劳性, TiNi 材料