【原】石墨烯制冷，全球首个，刷新纪录！

制冷行业正面临能源消耗过高和传统制冷剂带来的环境污染问题。目前，全球制冷设备消耗约20%的电力，而传统制冷方式依赖高GWP（全球变暖潜能值）制冷剂。作为一种新兴技术，弹热制冷可以通过形状记忆合金（SMA）在弹性变形过程中释放或吸收热量，实现无氟环保制冷。

然而，该技术仍面临两个关键挑战：（1）制冷剂的冷却功率受限，现有NiTi基弹热制冷设备的冷却功率仅在260W左右，远低于商用需求；（2）换热效率较低，由于形状记忆合金本身的导热能力有限，制冷效率受限。

石墨烯作为导热能力极强的纳米材料，成为提升弹热制冷效率的重要突破口。研究表明，石墨烯纳米流体的热导率比去离子水高50%以上，可显著增强热交换效率，使弹热制冷技术迈向千瓦级应用。

香港科技大学姚舒怀教授和孙庆平教授团队与合作者成功研制出全球首台千瓦级弹卡固态制冷设备，标志着弹卡固态制冷技术在商业化应用上迈出了关键一步。为应对气候变化、推动制冷行业的低碳转型提供了创新解决方案。

研究团队提出了“材料串联-流体并联”的多胞架构设计。该架构将10个弹卡制冷单元沿受力方向串联，每个单元包含4根薄壁镍钛合金管。镍钛管的高表面积体积比显著提升了热交换效率，而并联流体通道设计则将系统压力控制在1.5 bar以下，确保了高频稳定运行。另一项关键创新是采用石墨烯纳米流体替代传统蒸馏水作为传热介质。与现有固态制冷技术相比，该设备在制冷功率与温升综合性能上处于领先地位。其SCP值（12.3 W/g）远超液体传热弹卡设备的原纪录（4.4 W/g），且首次突破了千瓦级制冷门槛。

近年来国内外正积极研究石墨烯在制冷和热管理中的应用，并取得了显著的研究成果。

斯洛文尼亚University of Ljubljana的研究人员开发了一种基于再生循环结构的弹热热泵，采用双向流体通道设计，使冷却剂在系统内实现高效循环。研究人员使用不同浓度的石墨烯纳米流体（1g/L、2g/L、5g/L）进行测试，发现当浓度为2g/L时，热导率提高50%，并且系统的换热阻力降低了30%，确保了更稳定的温控效果。研究结果表明，使用石墨烯纳米流体可减少系统压降，使其更适用于低能耗制冷设备，如新能源汽车热管理系统和高精度实验室制冷设备。

德国Fraunhofer研究所的研究人员合成了石墨烯-金属复合冷却液，通过在石墨烯纳米流体中掺入铜或银纳米颗粒，以进一步提高导热率。研究发现，铜纳米颗粒与石墨烯纳米片形成互补导热网络，能够在-10°C至60°C的工作环境下维持高导热性能。该研究特别关注高精度制冷系统，例如量子计算机芯片冷却、生物医学冷冻设备等领域，其目标是在极低温环境下提供更高效的热交换方案。

德烯科技集团联合浙江大学高分子科学与工程学系高超教授团队，成功落地了“高通量酷冷模组与高性能石墨烯热界面材料”项目。该项目总投资4000万元，打造年产100吨单层氧化石墨烯原料生产线及年产50吨石墨烯基碳纤维产线。研发的高通量酷冷模组和高性能热界面材料已在多款卫星、航天器、成像系统等高端装备上应用，标志着石墨烯在高端热管理领域的实际应用取得了突破性进展。

此外，中国科学院上海微系统与信息技术研究所在石墨烯基芯片散热领域也取得了重要进展。他们提出在氧化石墨烯膜内部预先构建有序扁平孔道，引导高温处理时的气体定向逃逸，减少结构破坏，从而构建高度取向的厚膜结构，实现热导率的突破性提升。最终成功制备出厚度超110微米、热导率高达1781 W·m⁻¹·K⁻¹的石墨烯膜，较传统方法性能提升16.2%，并在降低芯片热点温度方面表现出极大潜力。

石墨烯在制冷和热管理领域的应用前景广阔，但也面临一些挑战。首先，石墨烯的规模化生产和成本控制是制约其广泛应用的关键因素。虽然一些企业和研究机构已经在这方面取得了进展，但要实现大规模商业化应用，仍需进一步降低生产成本，提高生产效率。其次，石墨烯在实际应用中的性能稳定性和可靠性也需要深入研究。在不同的应用场景下，石墨烯的性能可能会受到环境因素的影响，因此需要针对具体应用进行优化设计。

未来，随着石墨烯制备技术的不断进步和成本的降低，石墨烯在制冷和热管理领域的应用将更加广泛。不仅有助于提高制冷设备的能效，降低能源消耗，还能减少对环境有害的制冷剂的使用，推动制冷行业的绿色转型。同时，石墨烯在其他领域的热管理应用也将得到进一步拓展，如电子设备、航空航天、新能源汽车等，为这些领域的技术进步提供新的解决方案。