具有超强制冷效果的有序橡胶材料

随着对高效节能制冷技术需求的增长，传统蒸汽压缩制冷因能耗高、排放温室气体而亟待替代。固态弹性热制冷技术基于材料在外部场作用下的可逆温度或熵变，具有高效环保的优势，其中弹性热聚合物因驱动应力低（约10兆帕）、能效系数高（大于15）、环境友好（全球变暖潜能值近乎为零）等特点，成为极具潜力的固态制冷材料。然而，橡胶类聚合物的分子链固有无序性限制了其应变诱导结晶度，进而制约弹性热效应的提升。

本研究以热塑性聚氨酯（TPU）橡胶为研究对象，通过调控分子链的短程和长程有序性来突破这一限制。TPU由硬段和软段组成，其弹性热性能与应变诱导的分子有序性密切相关。研究首先设计了不同结构的软段（如聚四亚甲基醚二醇PTMEG、聚己内酯二醇PCL、聚丙二醇PPG），发现有序软段（如PTMEG）能通过分子链规整排列促进应变诱导结晶，而无序软段（如PPG）结晶度极低。其中，以PTMEG为软段的TPU（M-PTMEG）在拉伸比7时绝热温变达15.5开尔文。

为进一步提升长程有序性，研究采用脂环族二异氰酸酯（HMDI）替代芳香族二异氰酸酯（MDI）作为硬段，减弱了软硬段间的氢键相互作用，减少内摩擦并优化相分离，得到的HM-PTMEG橡胶应变诱导结晶度高达66.3%。其绝热温变提升至20.1开尔文，等温熵变达179.8焦/(千克·开)，性能远超以往所有弹性热聚合物。

针对传统拉伸式制冷装置需大空间容纳高应变的局限，研究开发了基于HM-PTMEG的卷对卷拉伸制冷设备。该装置通过驱动轮、回收轮和夹送轮实现橡胶条的连续拉伸与收缩，在6层堆叠时，冷端温度可降低7.7开尔文，制冷功率达38.4瓦，有效提升了空间利用率和集成度。

综上，本研究通过协同调控橡胶分子的短程和长程有序性，显著提升了弹性热性能，并开发出高效紧凑的制冷装置，为固态制冷技术的实用化提供了新思路。