Hợp kim đàn hồi mới đạt được hiệu suất thay đổi nhiệt độ 20 lần và hiệu suất Carnot 90% trong bơm nhiệt thể rắn
của Đại học Khoa học và Công nghệ Hồng Kông
Ý tưởng chính và vật liệu ứng cử viên cho hiệu ứng nhiệt đàn hồi lớn (TeE). Tín dụng: HKUST
Các nhà nghiên cứu tại Khoa Kỹ thuật của Đại học Khoa học và Công nghệ Hồng Kông (HKUST) đã phát triển một hợp kim đàn hồi mới có tên là Ti78Nb22, đạt được hiệu suất đáng chú ý cho bơm nhiệt thể rắn và thể hiện khả năng thay đổi nhiệt độ thuận nghịch (ΔT) cao hơn 20 lần so với kim loại thông thường khi kéo căng hoặc nén, mang đến một giải pháp thay thế xanh đầy hứa hẹn cho các công nghệ làm nóng và làm mát nén hơi truyền thống.
Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature Communications, trong một bài báo có tiêu đề "Hiệu ứng nhiệt đàn hồi lớn trong pha martensitic của hợp kim ferroelastic để bơm nhiệt hiệu suất cao".
Gần một nửa năng lượng của thế giới được tiêu thụ để sưởi ấm, bao gồm sưởi ấm khu vực trong lĩnh vực xây dựng và sưởi ấm quy trình trong nhiều lĩnh vực công nghiệp khác nhau.
Hiện nay, nhu cầu nhiệt toàn cầu chủ yếu được cung cấp bằng cách đốt nhiên liệu hóa thạch, tạo ra một lượng lớn khí nhà kính và tiêu thụ một lượng năng lượng đáng kể. Sử dụng máy bơm nhiệt dựa trên quá trình chuyển pha trạng thái rắn là một phương pháp thân thiện với môi trường hơn, nhưng hiệu suất năng lượng của chúng chỉ đạt 50–70% giới hạn Carnot. Đạt được hiệu quả bơm nhiệt hiệu quả hơn và thân thiện với môi trường hơn vẫn là một thách thức toàn cầu.
Giáo sư Sun Qingping (trái) và Trợ lý nghiên cứu Giáo sư LI Qiao (phải), cả hai đều đến từ Khoa Kỹ thuật Cơ khí và Hàng không Vũ trụ tại HKUST, trình diễn hợp kim đàn hồi Ti₇₈Nb₂₂ mới được phát triển của họ. Nguồn: HKUST
Để giải quyết thách thức này, Giáo sư Sun Qingping từ nhóm nghiên cứu của Khoa Kỹ thuật Cơ khí và Hàng không Vũ trụ (MAE) đã đề xuất một phương pháp bơm nhiệt mới sử dụng nhiệt sinh ra do biến dạng đàn hồi, được gọi là hiệu ứng nhiệt đàn hồi (TeE).
Mặc dù TeE đã được các nhà khoa học Kelvin, Joule và Duhamel phát hiện vào thế kỷ 19, nhưng từ lâu nó đã được coi là quá yếu để ứng dụng thực tế.
Sau đó, nhóm của Giáo sư Sun đã chế tạo một tinh thể đa tinh thể martensitic Ti78Nb22 có kết cấu [100], khi chịu biến dạng đàn hồi tuyến tính để bơm nhiệt, thể hiện sự thay đổi nhiệt độ thuận nghịch (ΔT) là 4–5 K—lớn hơn 20 lần so với các kim loại thông thường, thường chỉ thay đổi khoảng 0,2 K.
Biến động nhiệt độ tuyệt đối được dự đoán trong các tinh thể đơn martensitic khác nhau. Nguồn: HKUST
Đáng chú ý, hợp kim này đạt được khoảng 90% giới hạn hiệu suất Carnot trong một chu trình bơm nhiệt, khiến nó có khả năng cạnh tranh cao với các chất làm lạnh được sử dụng trong máy bơm nhiệt nén hơi thương mại.
Hơn nữa, nghiên cứu của nhóm chỉ ra rằng một số hợp kim ferroelastic có thể được phát triển với độ giãn nở nhiệt thậm chí còn cao hơn, đạt được sự thay đổi nhiệt độ lên tới 22 K. Công trình này mang đến một cơ hội đầy hứa hẹn cho ngành công nghiệp bơm nhiệt xanh và trình bày giải pháp đầu tiên không dựa trên quá trình chuyển pha để cung cấp nhiệt hiệu quả cao, thân thiện với môi trường.
Giáo sư Sun cho biết, "Khám phá này thay đổi nhận thức lâu đời và đã được khẳng định rằng hiệu ứng nhiệt đàn hồi quá yếu để có thể hữu ích. Nghiên cứu của chúng tôi chứng minh rằng chỉ riêng biến dạng đàn hồi tuyến tính có thể được sử dụng để bơm nhiệt hiệu quả năng lượng cao".
Tiến sĩ Li Qiao, tác giả đầu tiên của nghiên cứu này và là Phó giáo sư nghiên cứu từ cùng khoa, cho biết thêm, "Khi các nỗ lực khử cacbon toàn cầu tăng cường, công nghệ này cung cấp một giải pháp mang tính chuyển đổi để thay thế hệ thống sưởi ấm bằng nhiên liệu hóa thạch. Hiện chúng tôi đang phát triển các máy bơm nhiệt nguyên mẫu sử dụng hợp kim này cho các ứng dụng công nghiệp".
Thông tin thêm: Qiao Li và cộng sự, Hiệu ứng nhiệt đàn hồi lớn trong pha martensitic của hợp kim ferroelastic để bơm nhiệt hiệu quả cao, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-59720-3
Thông tin tạp chí: Nature Communications
Được cung cấp bởi Đại học Khoa học và Công nghệ Hồng Kông
