Nature Energy｜徐静远团队：让“热”驱动“冷”，形状记忆合金薄膜实现热驱动弹热制冷

转自 传热传质青委会

导 读

制冷通常需要消耗电能。然而，工业生产、数据中心、汽车以及众多能源系统在运行过程中，又有大量热能最终以废热的形式被释放到环境中。

那么，能否直接利用“热”来产生“冷”？

近日，德国卡尔斯鲁厄理工学院（Karlsruhe Institute of Technology, KIT）徐静远博士团队在固态制冷领域提出了一种新的解决思路：利用热能直接驱动形状记忆合金执行器，并进一步驱动弹热制冷，实现热驱动的固态制冷循环。

相关研究以 “Heat-driven elastocaloric cooling with shape memory films” 为题发表于 Nature Energy。

论文第一作者为 KIT 博士研究生 Yi-Ting Hsiau，日本筑波大学 Shuichi Miyazaki 教授和 KIT Manfred Kohl 教授参与了该项研究，KIT 徐静远博士为通讯作者。

研究成果

1. 从“电驱动”到“热驱动”

弹热制冷（elastocaloric cooling）是一类基于固态相变材料的新型制冷技术。

以形状记忆合金为例，当材料受到机械加载时，会发生应力诱导的固态相变并释放热量；卸载后发生逆相变并吸收热量。通过周期性地加载和卸载材料，可以建立连续的制冷循环。

与传统蒸气压缩制冷不同，弹热制冷采用固态制冷材料，无需传统的气态制冷剂，在高效、紧凑和环境友好型制冷方面具有重要潜力。

然而，一个关键问题是：

谁来给弹热材料施加周期性的机械载荷？

现有弹热制冷装置通常采用电机、液压装置或其他机电执行器。这不仅需要额外的电能输入，而且执行机构往往体积较大，增加了系统复杂度，也限制了弹热制冷进一步向微型化和高度集成方向发展。

针对这一问题，研究团队提出了一个不同的思路：

既然实际能源系统中存在大量废热，能否直接利用热能产生机械驱动力，再用这一机械功驱动弹热制冷？

图1｜热驱动弹热制冷系统的设计与工作原理。 系统由热驱动单元（thermal actuation unit）和弹热制冷单元（cooling unit）组成。具有形状记忆效应的 TiNi 薄膜受热后产生机械位移和驱动力，并通过机械耦合加载超弹性 TiNiFe 制冷薄膜，从而将热能转换为机械功，并进一步产生弹热制冷。

1. 用一种形状记忆合金，驱动另一种形状记忆合金

实现这一概念的关键，在于两种具有不同功能的形状记忆合金薄膜。

第一种是具有形状记忆效应（shape memory effect）的 TiNi 薄膜，用作热驱动执行器。

当温度跨越其相变区间时，材料发生热诱导的马氏体/奥氏体相变，从而产生明显的形变和恢复力。换句话说，它能够把输入的热能转换成机械运动。

第二种则是具有超弹性（superelasticity）的 TiNiFe 薄膜，用作弹热制冷材料。

当它受到机械加载和卸载时，应力诱导的相变及逆相变会产生显著的放热和吸热效应，从而实现制冷。

研究的核心并不是简单地把两个材料连接在一起，而是需要使两种薄膜的相变特性、力、位移和工作区间相互匹配，使热执行器产生的机械功能够有效地驱动制冷薄膜。

图2｜热驱动执行器与弹热制冷材料的热机械特性及匹配。 TiNi 薄膜利用形状记忆效应将温度变化转化为机械运动，而超弹性 TiNiFe 薄膜通过加载和卸载产生弹热效应。两种薄膜在相变温度、应力、应变以及力—位移特性上的协同设计，是实现热驱动弹热制冷的基础。

1. 两个功能单元：一个负责“动”，一个负责“冷”

在构建完整系统之前，研究团队首先分别研究了热驱动单元和弹热制冷单元的性能。

对于热驱动单元，研究人员使用微米级 TiNi 形状记忆合金薄膜作为执行器。通过控制加热过程，薄膜能够产生数百微米量级的机械位移，同时维持超过 5.5 N 的驱动力。

这意味着，尽管执行器本身非常薄，却能够产生足够的机械作用来驱动另一侧的弹热制冷材料。

与此同时，研究团队对 TiNiFe 制冷薄膜进行了独立的弹热性能测试。在周期性加载和卸载过程中，薄膜表现出明显的弹热温变，为后续两个功能单元的直接机械耦合提供了基础。

图3｜热驱动单元与弹热制冷单元的独立性能表征。 热驱动 TiNi 薄膜在加热过程中能够产生数百微米的行程，并维持超过 5.5 N 的驱动力；TiNiFe 制冷薄膜在不同应变及循环条件下表现出显著的弹热温变。

1. 把“热驱动”和“制冷”真正连接起来

在完成两个独立功能单元的验证后，研究团队进一步将它们直接机械耦合。

完整系统的工作过程可以概括为四个步骤：

加热 → 驱动 → 加载/放热 → 卸载/吸热。

当 TiNi 执行器受到加热时，形状记忆效应使其产生机械位移，并通过耦合结构加载 TiNiFe 制冷薄膜。

随后，通过控制热驱动执行器的加热和冷却，使制冷薄膜完成周期性的加载和卸载。

这样一来，原本需要电机等机电装置完成的机械驱动过程，就可以由温度变化直接触发。

在连续循环过程中，热端和冷端逐渐建立温差。在代表性的循环测试中，热端温升约 2.2 K，冷端温降约 1.8 K，两端形成约 4.0 K 的温度跨度。

图4｜完整热驱动弹热制冷系统的循环运行。 热驱动执行器产生的机械位移被直接传递至弹热制冷薄膜。在连续循环过程中，热端和冷端逐步建立稳定温差，证明热驱动单元可以直接驱动弹热制冷循环。

这一结果证明：

热能可以首先通过形状记忆效应转化为机械功，再利用这一机械功驱动弹热制冷。

由此建立了 “热能 → 机械能 → 制冷” 的完整转换路径。

5.不只是电加热：外部热源同样可以驱动制冷

在前面的实验中，研究团队首先采用焦耳加热对 TiNi 执行器进行精确控制，以系统研究热驱动弹热制冷的工作过程。然而，一个更加关键的问题是：

系统能否真正利用外部热源工作？

为了回答这一问题，研究团队进一步引入独立的外部热源，直接加热 TiNi 形状记忆合金执行器。实验结果表明，外部热源同样能够使执行器产生足够的机械驱动力，并进一步驱动弹热制冷循环。

在焦耳加热条件下，系统实现最高 4.0 K 的温跨和 4.4 W g⁻¹ 的比制冷功率；采用外部热源后，仍实现 2.2 K 的温跨和 3.3 W g⁻¹ 的比制冷功率，直接验证了利用外部热能驱动固态制冷的可行性。

图5｜外部热源驱动的弹热制冷实验。 研究团队进一步利用外部热源直接驱动形状记忆合金执行器，并成功实现弹热制冷，验证了该系统利用外部热能工作的可行性。

6.从废热到制冷：这项研究意味着什么？

大量可利用热能广泛存在于工业过程、能源转换系统、交通运输以及其他应用场景中，但其中相当一部分最终以废热形式排放到环境。

与此同时，制冷与热管理又需要消耗大量高品位电能。

因此，如果能够利用原本可能被浪费的热能来驱动制冷，就有机会建立一种不同于传统电驱动制冷的能源利用路径。

这项研究提出的热驱动弹热制冷概念，尤其具有两个特点。

一方面，驱动和制冷都由固态功能材料完成。形状记忆合金不仅作为弹热“制冷剂”，同时也可以作为热机械执行器，有望减少对传统大型机电执行机构的依赖。

另一方面，系统的驱动能源可以进一步拓展至废热、太阳能热以及其他可利用热源，为热能梯级利用与低碳制冷提供新的研究思路。

对于未来高度集成化的热管理系统而言，这种设计也为弹热制冷的微型化提供了新的可能。

从更广泛的角度来看，这项研究也展示了一种新的热能利用思路：原本需要被排散的热，也可以被进一步利用，成为驱动制冷的能源。

团队介绍

徐静远团队长期致力于新型固态制冷、微纳尺度热管理以及智能材料与热能转换技术研究。此次工作将形状记忆合金的热致驱动功能与弹热制冷功能相结合，为构建更加紧凑的热驱动固态制冷系统提供了新的研究方向。未来，团队将进一步探索材料、器件与系统的协同设计，提升系统效率和制冷性能，并推动其在废热利用、太阳能热驱动制冷、电子器件热管理以及可持续制冷等领域的应用。

论文信息

Title: Heat-driven elastocaloric cooling with shape memory films

Journal: Nature Energy (2026)

Authors: Yi-Ting Hsiau, Shuichi Miyazaki, Manfred Kohl, Jingyuan Xu

Corresponding author:Jingyuan Xu

DOI: 10.1038/s41560-026-02122-6