弹性材料可用于固态冷却，因为可以使用可逆相变将热量释放出系统，但目前存在的难题是许多这样的材料在经过多次循环后，其制冷性能失效。那如何解决这个难题呢？
2019年11月29日，美国马里兰大学的Ichiro Takeuchi教授团队在《Science》在线发表名为“Fatigue-resistant high-performance elastocaloric materials made by additive manufacturing”的研究文章，发现弹性热金属的激光融化可以产生耐疲劳的微观结构，在循环1百万次后，仍保持弹性稳定性。
该文章的通讯单位是美国马里兰大学，第一作者是侯慧龙，该文章是其博士后期间的研究成果。侯慧龙已经离开马里兰大学，现为北京航空航天大学的副教授，主要研究领域为应力制冷材料和应力制冷器件。
研究预览：弹性制冷是一种固态制冷技术，利用应力诱导相变释放和吸收潜在热量热。然而，与转换相关的滞后不利于有效的能量转换和功能耐久性。该团队通过镍、钛的增材制造的方法创造了热力学高效、低迟滞的弹性降温材料。使用局部熔融环境和共晶混合的单质粉末的方法，引起富镍金属化合物的纳米复合微结构的形成，该化合物分散在二元合金基体中。
这种微观结构允许极小的准线性应力-应变行为，可以将材料的效率提高4-7倍，并且在1百万次的循环中保持可重复的弹性性能。对弹性冷却材料采用增材制造的方法，能够对具有长疲劳寿命的高性能金属制冷剂进行独特的微观结构控制。
存在问题：空间制冷消耗的能量占整个电力系统的五分之一。蒸汽压缩是一项成熟的技术，已经占领了市场，但是仍然存在着效率趋于稳定、制冷剂对全球变暖的危害等潜在威胁。固态制冷技术，包括热电制冷和被动辐射制冷，与蒸汽压缩技术相比，是一种绿色环保替代品。其*特中**别有前途的是热量（磁热量、机械热量和电热热）冷却技术，有可能超越蒸汽压缩技术的效率。
由于热量材料需要活跃的热泵;可以通过控制它们的功能特性(磁化、应力状态和电极化)来实现。然而，滞后现象是高温材料的致命弱点，因为滞后现象表现为每一个热泵送循环的功损失，即耗散热。迟滞也最终导致材料疲劳和失效。尽管长期疲劳性能对开发热材料的应用是至关重要的，但要用大量的循环来评估这些性能。
图文解读
通过定向能量沉积进行镍钛弹性纳米复合材料的设计
L-DED过程的关键特性是一个毫米级的混合粉末熔池快速冷却比高于10Ks-1。例如熔融铸造法制备的金属纳米复合材料,具有高强度的应力传递机制响应,是一种理想的功能合金。由于共晶固相会导致复合材料的形成，所以该团队利用二元Ni-Ti的共晶点中富镍组分范围，采用L-DED方法得到了具有弹性的纳米复合材料。
制备过程中各项参数的优化以标准化处理映射密度和机械完整性为指导，其中工艺运行中的熔池温度由热阻高温计现场测量，维持在1973-2173K。通过调整镍粉和钛粉的流量比，寻找最适宜的印刷要求，从而形成具有一定几何形状的镍钛材料。
镍钛纳米复合材料的可恢复性和弹性热性能
该团队采用粉末激光定向能沉积（L-DED）技术制备了合金基体和金属间相组成的弹性材料，以纳米复合微结构方式排列。该方法会引起金属粉末的局部熔化，随之而来的是快速凝固。当富含镍的镍钛金属混合粉末在制备过程中进行混合时，纳米复合材料的形成了具有复杂树突结构的微结构。这种结构包含用于偏置的非转化金属间相相变，导致弹性热效率的显著提高以及通过磁滞最小化实现功的转化可逆性。
制备得到的Ni-Ti纳米复合材料具有准线性的应力-应变行为，表现出明显减少的滞后性，由此引起材料效率的倍数增长。其中材料效率被定义为CarnotCOP。该材料的在经过1百万次的热力学循环，仍然是稳定的。
Ni-Ti纳米复合材料在100万倍压缩下的稳定性
更为重要的是，与速率相关的滞后现象一般是在传统的SMAs中发现，而L-DED制备的Ni-Ti纳米复合材料的迟滞现象几乎与速率没有关系（从0.0002到0.2s-1），这一结果有利于高频弹性操作。该团队还使用了模拟和同步辐射实验证明了该材料优异性能来源于转化和非转化之间的载荷转移动力学。
研究总结：采用增材制造的方法，制备得到了Ni-Ti纳米复合材料。该材料能将材料效率提高4-7倍，并且在1百万次的循环中保持可重复的弹性性能。该方法能够改善弹性材料的性能，并将其广泛应用于固态冷却领域成为可能。
DOI：10.1126/science.aax7616
作者介绍
侯慧龙，副教授，2015年于美国宾夕法尼亚州立大学博士毕业；2019年于美国马里兰大学博士后出站，曾就职美国斯坦福大学直线加速器中心、美国国家标准和技术研究所，现为北京航空航天大学航空科学与工程学院的副教授。研究成果发表在Science、Nature Communications、ACS、Nanoscale等国际期刊。
Ichiro Takeuchi，于1996年获得美国马里兰大学博士学位，现为马里兰材料科学与工程学院教授，主要研究领域为合成表征在电子、磁性和智能材料中的应用及新型多层薄膜器件的制备、表征，研究成果多次发表在Science、Nature等国际顶级期刊。Ichiro Takeuchi曾任日本东京大学东京大学固体物理研究所客座副教授；获得马里兰大学物理科学类的年度发明奖；当选APS研究员等多项荣誉。