用于弹热制冷的 3D 打印 NiTi 合金

以更清洁的方式为世界降温

空调让家庭和数据中心保持舒适，但它们通常依赖可能泄漏到大气中并加剧变暖的气体。本研究探讨了一种由镍-钛合金通过 3D 打印成形的固态替代方案，旨在在提供强劲且可靠的制冷性能的同时减少温室气体排放。

从气体制冷到固态制冷

当今大多数制冷系统使用蒸汽压缩循环，其中特殊气体被压缩和释放以搬运热量。这些气体通常具有较高的全球变暖潜能值，因此任何泄漏都会加剧气候变化。镍-钛合金提供了另一条途径：当它们被挤压时，内部结构发生相变，从而吸收或释放热量，这种行为称为弹热效应。采用传统工艺加工的镍-钛原型已经在实验室中证明了固态制冷的可行性，但制造这些零件通常需要多道工序，例如反复轧制和切割，这些步骤既慢又昂贵，还会浪费大量材料。

为何 3D 打印这些金属很难

3D 打印看似是将镍-钛制作成带有复杂流道的紧凑制冷元件的理想方法。然而，以往的 3D 打印版本面临着艰难的权衡。有些材料可以承受大量循环载荷但每单位应力产生的温差很小；另一些则能产生更强的制冷效果但在相对较少的循环后就失效，远低于实际机器所需的寿命。打印过程中留下的微小孔洞、裂纹和不利的晶粒结构使金属易于损伤，并逐渐降低其内部结构在使用中可逆转换的能力。

设计更坚韧更高效的合金

作者通过微调激光选区熔化（laser powder bed fusion）工艺和单步热处理来应对这一挑战。通过精心选择激光能量，他们制得了缺陷极低的材料，避免了未熔合区域和深度钥孔孔隙。退火随后将内部晶粒结构重塑为“二峰”混合体——由较大晶粒和成簇的超细晶粒组成，并伴有少量富钛的二次相。这种组合减少了会钉扎结构部分的位错，调节了金属相变的温度，并提高了合金在反复载荷下对裂纹扩展的抗性。

在重复使用下的创纪录性能

在受控压缩测试中，新型 3D 打印镍-钛在最佳应力水平下显示出近 20 摄氏度的显著温度摆幅，并且关键是，在超过三百万次加载循环中保持了有用的制冷能力而未发生断裂。其比温差（衡量将施加应力转化为温度变化的效率）比之前最好的 3D 打印材料高出十倍以上，并且与许多通过传统工艺制成的商业合金相当或更优。显微镜和 X 射线成像显示，裂纹出现得更晚、增长更慢，并且在混合晶粒结构以及近裂纹尖端发生的局部相变处反复偏转或被阻止，从而吸收能量。

从打印管到工作制冷器

为展示该材料在实验台之外的可行性，团队打印了带内部通道的空心镍-钛管并构建了紧凑的制冷装置。当这些管在水流通过的同时周期性被挤压时，系统实现了 20 摄氏度的温差和约 50 瓦的制冷功率，可与基于传统工艺合金的设备相媲美。由于 3D 打印能够在单次批次中制造出复杂的内部通道和多种形状并且几乎不浪费金属，它为通过切割和机械加工无法实现的设计打开了大门。

对未来制冷的意义

这项工作表明，3D 打印的镍-钛可以同时提供长寿命和强劲的制冷性能，这两点都是实际固态冰箱和热泵所需的。通过减少缺陷并精心定制内部晶粒结构，研究人员在耐久性与效率之间找到了早期设计无法兼顾的平衡。尽管在这些系统进入家庭或数据中心之前还需要更多工程化工作，但该研究指向了一个前景：可以直接从数字设计构建更清洁、更灵活的制冷设备，从而以更小的气候影响满足日益增长的制冷需求。

引用: Zhong, S., Lin, H., Li, Y. et al. 3D-printed NiTi alloys for elastocaloric cooling. Nat Commun 17, 4207 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-71399-8

关键词: 弹热制冷, 3D 打印 NiTi, 固态制冷, 可持续制冷, 形状记忆合金