年輕學者養成計畫，是科技部陳良基部長規劃，以提供年輕學者充足科學研究資源、鼓勵大膽創新研究方向的研究計畫，並希冀幫助年輕學者在研究職涯初期能獲得具國際優勢的位置。其中，第一屆的愛因斯坦計畫（107年度）規定申請年齡須在32歲以下，相當嚴苛。當時剛就任的副院長高振宏教授，在得知科技部規劃這項計畫的消息後，便希望我積極爭取這個計畫，也因為提早得知消息，能夠詳細地規劃研究計畫的方向。很幸運地，在激烈的競爭中，以固態冷媒作為主題的研究計畫受到評審青睞，獲得了第一屆愛因斯坦計畫補助的五年期研究計畫，題目為：「固態冷媒材料之開發研究－形狀記憶合金之彈熱效應」。這個有趣的計畫自2018年8月開始執行，目前也有小小的研究成果與大家分享。

█ 陳志軒助理教授（右）與陳良基部長合影。

冷媒是現今人類生活中不可或缺的重要物質，舉凡空調冷氣、冰箱與冷凍櫃、工業冷凍設備等等，都仰賴冷媒的制冷能力。傳統的冷媒藉由固態與液態間的相變態而達到制冷效果，然而，冷媒對於環境的污染已經是大家從小到大都知曉的議題，除了早期的臭氧層破壞問題，新式環保冷媒亦有溫室氣體排放的課題產生。既然冷媒利用相變態來達到制冷效果，那麼在固態的金屬材料中，是不是也有能夠利用來產生溫度變化的相變態呢？有的！在大二的工程材料裡面，大家一定學過的麻田散體相變態，就是一種固態與固態間的相變態。在形狀記憶合金裡，透過施加應力誘發母相與麻田散體間的相變態，便可利用相變態時的潛熱達到昇降溫的效果，稱為彈熱效應（elastocaloriceffect）[1]。圖1為形狀記憶合金彈熱效應的機制：當常溫（R.T.）處於母相的形狀記憶合金（階段①）受應力而產生應力誘發麻田散體時，若應變速率夠高（約0.01），則可使材料近似於處於絕熱（adiabatic）條件，此時麻田散體相變態所放出的潛熱變會被記憶合金吸收而造成溫度上升ΔT（階段②）；接著在持力狀態下，形狀記憶合金可與環境進行熱交換以回到室溫（階段③），並於應力卸除後逆變態回母相，並同時吸收潛熱，而在絕熱條件下造成溫度下降ΔT（階段④），此較低溫之記憶合金即可吸收環境熱源之熱量，並做為冷凍裝置。若能利用固態金屬材料來取代傳統冷媒的角色，便能大幅降低使用傳統冷媒所造成的環境破壞與汙染問題，提供更環保與乾淨的冷媒材料。因此，固態冷媒系統成為近幾年來國際間的重要研究議題，彈熱效應更被美國能源局認定為最具有潛力之固態冷媒材料[2]，亦受德國GermanScienceFoundation（DFG）列為優先研究項目（DFGPriority Program1599）[3]，可見其重要性及前瞻性。

█ 圖1　形狀記憶合金之彈熱效應。

█ 圖 2　Cu70.4Al17.2Mn12.4單晶沿接近[100]β方位壓縮測試之應力應變圖以及（b）負載/卸載過程之應 變場分佈圖。

█ 圖3　Cu70.4Al17.2Mn12.4單晶於接近[100]方位壓縮不同應變量後，（a）卸載時彈熱效應之溫度下降以及（b） 完全卸載時熱分布之影像。其中ΔTavg為材料整體的平均溫度下降量；ΔTmin為卸載時應變最後回復位置之溫 度下降量。

這項愛因斯坦計畫，即利用五年的研究期程，針對固態冷媒材料的各項性能進行研究與改善，包含各式TiNi基與Cu基的形狀記憶合金開發、各種形式的形狀記憶合金材料（塊材、線材、薄膜等）、拉伸與壓縮等不同施力模式的影響、材料強度的提升、擴展固態冷媒的工作溫度範圍等等，以提升形狀記憶合金作為彈熱效應應用時之性能表現。在本研究計畫的補助下，得以利用非接觸式的量測方式量測材料變形以及溫度變化，以更加深入了解形狀記憶合金作為冷媒時的各種微觀現象。如圖2顯示於壓縮至9%的過程中，Cu基形狀記憶合金之應變場（麻田散體相變態）不均勻的現象，然而此9%的應變皆可於卸載時完全回復。圖3則顯示Cu基形狀記憶合金於卸載時，隨著應變量增加，其平均溫度降低的幅度可達約12K，是為良好的固態冷媒材料。透過愛因斯坦計畫的補助，我們將專注探討並開發固態冷媒用的形狀記憶合金，希望在未來，使用固態冷媒的冷凍機能為我們提供優質且乾淨的冷凍效果。

P.S. 我們在Youtube上放了形狀記憶合金於變形過程中的溫度變化以及應變場變化影片，歡迎大家參觀（持續更新）。
https://www.youtube.com/channel/UCFLLoYAcZFFYkXg7vZNm4zQ

參考文獻
[1] S.X. Qian, Y.L. Geng, Y. Wang, J.Z. Ling, Y.H. Hwang, R. Radermacher, I. Takeuchi, J. Cui, A review
of elastocaloric cooling: Materials, cycles and, system integrations, Int'l J. Refrig., 64 (2016) 1-19.
[2] W. Goetzler , R. Zogg , J. Young , C. Johnson , Energy Savings Potential and RD&D Opportunities for
Non-Vapor-Compression HVAC Technologies, Navigant Consulting, Inc.(prepared for U.S. Department of
Energy), Burlington, MA , 2014 .
[3] Caloric effects in ferroic materials: new concepts for cooling [WWW Document] (2012).
http://www.ferroiccooling.de/ Accessed 2 Jan 2015.