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研究與創新

科大研發新型彈性合金　溫度變化達普通金屬20倍

能效達卡諾極限90%　革新固態熱泵技術

2025-05-25
07 經濟適用的清潔能源
09 產業、創新和基礎設施
13 氣候行動
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Prof. SUN Qingping (left) and Research Assistant Prof. LI Qiao (right), both from the Department of Mechanical and Aerospace Engineering at HKUST, demonstrate their newly developed Ti₇₈Nb₂₂ elastic alloy.

科大機械及航空航天工程學系教授孫慶平（左）及研究助理教授黎橋（右）展示其團隊研發的Ti₇₈Nb₂₂新型彈性合金。

Fig. 1. Key idea and candidate materials for large thermoelastic effect (TeE)

圖1：實現大熱彈效應的基本思路和材料

Fig. 2. Thermal expansion and elastic behaviour of [100]-textured Ti78Nb22 alloy

圖2：[100]織構Ti₇₈Nb₂₂合金的熱膨脹和彈性變形行為

Fig. 3. Observed thermoelastic effect (TeE) of [100]-textured Ti78Nb22 alloy

圖3：[100]織構Ti₇₈Nb₂₂合金的熱彈效應

Fig. 4. Predicted absolute temperature change in different martensitic single crystals

圖4：不同馬氏體單晶的絕熱溫度變化預測

香港科技大學（科大）工學院的研究團隊成功研製出一款新型彈性合金Ti₇₈Nb₂₂，該材料具備高效固態製熱效能，而且在彈性變形過程中所表現的可逆溫度變化能力，為普通金屬的20倍，為傳統的蒸氣壓縮製冷和熱泵技術提供環保的綠色替代方案。

全球近一半的能源消耗用於供熱，包括建築供暖和工業供熱。現時，全球主要通過燃燒化石燃料供熱，不僅產生大量溫室氣體，而且消耗大量能源。固態相變熱泵是較為環保的替代方案，但其能效卻局限於卡諾極限的50%至70%。如何突破這能效瓶頸，一直是全球面臨的重大挑戰。

為應對這個挑戰，科大機械及航空航天工程學系的孫慶平教授的研究團隊提出利用彈性變形產生的溫度變化實現製熱。雖然這種熱彈效應（Thermoelastic effect）早在19世紀就由著名科學家開爾文、焦耳和杜哈梅爾發現，但常規金屬的熱彈效應非常微弱，因而無法應用。孫教授的團隊研發出具有[100]織構的Ti₇₈Nb₂₂馬氏體多晶合金，該材料在彈性變形時表現出4–5 K的可逆溫度變化——達到普通金屬（通常僅約0.2 K）的20倍。而且，新材料的熱能效達到卡諾極限的90%，媲美商用蒸汽壓縮製熱能效。

團隊進一步發現，某種特定的鐵彈性馬氏體合金具備更佳的熱膨脹特性，可實現高達22 K的溫度變化。這項研究為綠色熱泵產業展現出極具潛力的發展前景，並首次提出基於非相變原理的綠色高效供熱解決方案。

孫教授表示：「這項發現從根本上改變了熱彈效應過於微弱、難以應用的傳統認知。我們的研究證明了僅靠彈性變形就能實現高效固態製熱。」

論文第一作者、科大機械及航空航天工程學系研究助理教授黎橋補充道：「隨著全球脫碳進程加速，該技術為替代化石能源供熱提供了變革性方案。我們目前正積極開發用於工業的原型熱泵裝置。」

研究成果最近在《自然通訊》發表，論文題為「Large Thermoelastic Effect in Martensitic Phase of Ferroelastic Alloys for High Efficiency Heat Pumping」。本研究獲香港研究資助局策略專題研究資助金及優配研究金資助，相關技術已申請國際專利。

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