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摘要：研究小组在Ti-Al-Cr基超弹性合金中，证实了从-171℃到+129℃的宽温度范围内的冷却响应，为利用单一材料处理从低温到室温以上的温度范围的高效、低环境影响的冷却技术开辟了道路。

关键词：固体制冷剂、超弹性合金、宽温度范围、弹性热效应、单一材料制冷

要点

在钛（Ti）基超弹性合金中，证实了从-171℃至+129℃的300℃超宽温度范围内的弹热效应。
在室温下实现了约-10℃的绝热温变和较高的冷却效率。
除空调和冰箱外，在航天领域也有望应用的下一代节能型、环保型冷却技术。

概要

近年来，为提高能效并减少温室气体排放，利用固体材料的下一代冷却技术备受关注。其中，利用外力作用下金属材料状态变化（相变）所产生潜热的弹热效应，被认为是一种极具前景的冷却方法。

研究小组在Ti-Al-Cr基超弹性合金中，证实了从-171℃到+129℃（温度范围为300℃）这一极宽温度范围内的冷却响应。这一温度范围远超基于传统克劳修斯-克拉珀龙方程的预测，这一成果为相变热力学的传统理解提供了新视角。此外，该研究为利用单一材料处理从低温到室温以上的温度范围的高效、低环境影响的冷却技术开辟了道路。

研究背景

目前空调、冰箱等广泛使用的冷却技术（蒸汽压缩式）面临着高能耗和温室气体排放的挑战。作为一种替代技术，利用固体相变的热效应制冷的技术正受到广泛关注。弹热效应是其中特别有望实现高效率的方法，施加或卸除应力引起的相变所带来的熵变(ΔS)越大，冷却能力就越强。然而，存在“具有大ΔS的材料其工作温度范围窄”，反之“具有宽工作温度范围的材料其ΔS小”的权衡关系，一直是材料开发的一大限制。这种关系可以通过应力与温度之间的关系，即克劳修斯-克拉珀龙方程来理解。

研究内容

本研究中，研究小组利用2025年开发的Ti-Al-Cr超弹性合金（图1），在从极低温到高温的宽温度范围内，对其力学性能和弹热效应进行了详细评估。

图1. 本研究中使用的Ti-Al-Cr超弹性合金（Y.Song，S.Xu etal.Nature 638，965-971,2025）638，965-971,2025）

首先，研究小组在宽温度范围内进行了压缩试验。结果证实，在-196℃至+187℃的极宽温度范围内，表现出明显的超弹性特性（图2）。如各温度下的应力-应变曲线所示，施加应力发生变形后的Ti-Al-Cr超弹性合金在卸除应力后几乎恢复原状，表现出超弹性。这一现象表明，由应力引发的相变具有可逆性。利用中子单晶结构分析装置（SENJU）的原位观测直接证实了伴随该相变的晶体结构变化。

图2. Ti-Al-Cr超弹性合金在各温度下的压缩应力-应变曲线。在-269℃至+227℃的宽温度范围内进行了测量，证实在+187℃以下存在一种被称为“超弹性”的特性，即应力释放后合金能够恢复到其原始形状。

此外，为了直接评估与超弹性相关的弹热效应，研究小组测量了快速释放应力时的样品温度变化（绝热温度变化）。结果，在-171℃至+129℃的宽温度范围内，证实了卸除应力伴随的吸热反应（冷却效果）（图3）。尤其是在室温附近，观察到了约-10℃的显著降温，这表明其作为实用冷却材料具有良好的性能。这些结果表明，该合金具有同时满足“宽温度范围”和“实用冷却能力”的罕见特性，是拓展传统设计指南的重要发现。

图3. Ti-Al-Cr超弹性合金中绝热温度变化（ΔTad）的温度依赖性，显示了在各温度下快速卸除应力时样品的温度变化。在-171℃至+129℃范围内，观测到伴随吸热反应的降温（冷却效应），在室温下获得了约-10℃的温度变化。对于+129℃以上，由于容易产生残余变形，因此未进行测量。

未来展望

本研究所揭示的Ti-Al-Cr合金的弹热特性是在基于传统克劳修斯-克拉珀龙方程的设计指南未曾预料到的宽温度范围内获得的，提出了弹性热材料的新设计理念。尤其是，研究表明，通过抑制超弹性应力的温度依赖性，可以缓解温度范围与冷却能力之间的权衡关系，这有望成为未来材料设计的重要指南。

该材料所展现的冷却工作温度范围为-171℃至+129℃，作为一种可在包括低温区域在内的宽温度范围内工作的热控制材料，有望在包括航天领域在内的广泛领域中得到应用。尤其是，传统材料需要多种材料组合才能在宽温度范围内实现冷却，而本研究证明使用单一材料即可实现这一目标，这对于简化冷却系统并提高其效率至关重要。

另一方面，为了将本研究中获得的特性转化为实际应用，必须克服诸如抗反复变形的耐久性、减少能量损失、可加工性和形状控制等挑战。尤其是，由于材料变形过程中产生的能量损失直接影响冷却效率，因此抑制能量损失将是未来一项重要的研究课题。

今后，研究小组将通过成分设计和微观结构控制来应对上述挑战。此外，通过推进面向器件应用的材料设计以及冷却系统的实证研究，旨在实现可在宽温度范围内运行的固体冷却技术。

https://www.eng.tohoku.ac.jp/news/detail-,-id,3569.html

https://doi.org/10.1038/s41467-026-72172-7

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