今年汉诺威工业博览会上，参观者可以现场体验到温度的明显下降——只需将一块金属合金拉伸再释放即可完成。这一现象背后是所谓的“弹性热技术”，被视为传统制冷与供暖系统的一种更清洁、更环保的替代方案。萨尔大学的 Paul Motzki 教授及其团队在这一领域扮演着关键角色，正推动相关技术逐步走向实际应用。与由 Dirk Bähre 教授领导的3D打印专家团队合作，他们正在开发适用于冷却元件的节能新型几何结构。这项技术将于4月20日至24日在汉诺威工业博览会11号馆 D41 展位展出。

这些光亮的立方体结构，外观上具有复杂而醒目的几何造型，乍看之下很容易被误认为是设计感十足的装饰品。但对参与研究的团队而言，它们真正的价值在于功能而非外观。Bähre 教授团队负责制造工艺，Motzki 教授团队专注智能材料，两方共同关注的是：这些金属结构在萨尔布吕肯正在开发的创新冷却与供暖系统中能发挥怎样的性能。

Motzki 表示：“这是弹性热技术发展的下一阶段。我们目前仍处在基础研究层面，但已经在面向实际应用进行思考，并为未来的现实场景设计解决方案。”这些新型冷却和加热元件通过特殊的几何设计，尽可能放大热交换表面积，从而提升热传递效率。

与传统制冷系统不同，弹性热系统不使用对气候有害的制冷剂，也不依赖石油或天然气等化石燃料，而是采用由镍钛形状记忆合金制成的组件。迄今为止，Motzki 团队主要研究由该合金制成的超细线束和薄片的弹性热特性。这些元件在被拉伸或压缩时会释放热量，而在移除机械负载时则会吸收热量。萨尔布吕肯的工程师正是利用这种弹性热效应，将热量从一个位置转移到另一个位置，例如将冷藏空间中的热量导出。

萨尔大学和萨尔布吕肯机电一体化与自动化技术中心（ZeMA）的研究团队在弹性热效应方面已有超过15年的研究积累，其长期目标是为汽车、建筑和工业设施提供更加节能、环保的冷却与供暖方案。在今年的汉诺威工业博览会上，团队展示的成果表明，这项技术已经不再停留于纯理论研究，而是在稳步迈向工程化和应用化。

新一代冷却材料

全球在冷却和供暖上的能源消耗极为庞大，并且在气候变化的背景下，未来需求还将持续增长。与传统技术相比，弹性热技术有望实现显著更高的能效。弹性热系统只需要电力驱动，其环保程度取决于所使用电力的清洁程度。欧盟委员会已将弹性热冷却视为替代传统制冷技术的最具前景方案之一，世界经济论坛也将其列入“十大新兴技术”。这一技术的核心在于镍钛合金的特殊性质——这种材料在变形时的行为与普通金属截然不同。

镍钛是一种典型的“形状记忆合金”，可以在变形后恢复到原始形状，其机理源于两种固态晶格结构之间可逆的相变，而这一相变过程伴随着热量的释放或吸收。

Motzki 解释道：“在室温下，合金处于高温相。当我们对材料施加拉伸或压缩应力时，会迫使其转变为低温相，这一过程会放热，材料升温并向周围环境释放热量。当材料冷却回环境温度后，我们解除机械应力，合金又会回到高温相，这时是吸热过程，材料温度随之下降。”

简化来说：当镍钛线被拉伸时，它会向流经的空气或液体释放热量；当应力解除时，材料冷却下来，可以从周围环境吸收热量。通过反复进行这种机械拉伸与释放的循环，就构成了这项新技术的基本工作原理。由于材料本身具有可测的电学响应，不需要额外的外部传感器。

“每一次线材的变形都会对应一个特定的电阻值。通过测量电阻，我们可以精确判断材料在任意时刻的变形状态。也就是说，位置传感功能实际上已经内置在材料之中。”Motzki 补充道。

萨尔布吕肯的研究人员希望通过最大化表面积来提升热量传递效率。表面积越大，热量向工作介质（空气或水）传递的效率就越高。此前，团队主要通过将大量超细形状记忆线组合成线束来增加表面积。而在下一代装置中，冷却和加热元件将采用多孔的三维镍钛结构，以进一步扩大与工作介质的接触面积。

为此，Motzki 团队与 Bähre 团队合作，开发复杂的镍钛多孔结构，使空气或水等热传递介质可以在其中流动。研究人员正在不断优化这些精细合金格栅的设计，并对多种复杂几何形状进行实验测试，以找出热传递效率最高的结构。这些三维合金结构通过增材制造技术，在3D打印机中逐层构建而成。

向实际应用迈进

在实验室持续进行测试的同时，Motzki 及其团队也在积极推动弹性热技术向实际应用过渡。未来用于弹性热冷却系统的材料必须能够适应冰箱和制冷设备的长期连续运行。

“我们正在开发既足够坚固又便于维护的材料和结构设计。从一开始，我们就在研发过程中考虑未来应用中可能遇到的问题。这是我们研究工作的核心理念，也直接体现在我们系统工程以及可持续材料与工程等相关专业的教学中。”Motzki 说。他与 Bähre 一样，吸纳了众多博士生和本科生参与这项研究。

当前实验中要解决的关键问题之一，是如何以合适的方式对材料施加机械载荷，以确保其具有足够长的使用寿命。这需要将合金的性能与拉伸和压缩循环精确匹配。“例如，在采用线束结构的设计中，我们的目标是实现超过一百万次循环的寿命。”Motzki 表示。

当然，任何材料最终都会出现疲劳。“因此，我们也在同步开发一种简单、快速的更换方案。我们在设计相关组件时就考虑到易于更换，因为维护便利性是这项新技术能否真正转化为可靠日常应用的关键因素之一。”Motzki 总结道。