2022年3月29日，Nature Reviews Materials以Materials, physics and systems for multicaloric cooling為題報道了北京航空航天大學(xué)侯慧龍副教授在固態(tài)相變制冷領(lǐng)域取得的新進展。

侯慧龍副教授及其長期合作者深入系統(tǒng)地梳理和歸納了彈熱、磁熱、電熱、壓熱等單場致效應(yīng)，以及力電磁多場轉(zhuǎn)換與調(diào)控的發(fā)展過程與研究現(xiàn)狀。在此基礎(chǔ)上，進行了原創(chuàng)性的研究工作，即通過分析力磁電多場響應(yīng)材料的內(nèi)稟序參量，以及共軛外場的物理過程，發(fā)現(xiàn)磁化強度、電極化強度、機械強度等內(nèi)稟序參量與對應(yīng)的磁場、電場、力場等共軛外場在相變過程、物理描述和宏觀行為上存在共通性，發(fā)展了一級相變材料在零場和非零場條件下的通用相圖和熵變公式。發(fā)現(xiàn)場致熵變聯(lián)合增效的關(guān)鍵在于對熵變符號的多場調(diào)控。提出了力磁電多場響應(yīng)材料與驅(qū)動場的協(xié)同設(shè)計策略，完善了材料類型（單相、復(fù)合相）與共軛外場對于熵變符號的多場調(diào)控機制，動態(tài)調(diào)控場致熵變（磁熵、晶格熵和極化熵），實現(xiàn)了多場致熵變的聯(lián)合增效。

通過綜合分析一級相變制冷材料中減小相變滯后的策略與機理，發(fā)現(xiàn)在功-能轉(zhuǎn)換過程中滯后損耗所帶來的損耗功，主要通過其在輸入功的占比，以及改變用于逆向轉(zhuǎn)變的彈性能來影響材料的功能壽命。基于試驗結(jié)果，提出損耗功在輸入功占比小于10%是一級相變制冷材料達到百萬次循環(huán)以上功能壽命的延壽準(zhǔn)則，建立了一級和二級相變所對應(yīng)的功能壽命預(yù)測公式。更重要的是，基于能量形式建立的延壽準(zhǔn)則和公式，可從單場效應(yīng)材料體系推廣至多場效應(yīng)體系，具有普適性，表明了力磁電多場響應(yīng)材料內(nèi)稟序參量與共軛外場具有共同的驅(qū)動因素。從材料制冷性能系數(shù)出發(fā)，揭示了驅(qū)動損失、傳熱損失、循環(huán)損失、寄生損失4類損失對于器件制冷性能系數(shù)逐級削減的影響規(guī)律，完善了在器件設(shè)計中，多場材料與器件的性能評價體系。同時，以磁性形狀記憶合金為模型材料，獲得多場協(xié)同增效制冷器件，核心材料性能指數(shù)為24.5，達到同期國際最高水平。

在該項工作中，合作者是來自西安交通大學(xué)的錢蘇昕副教授和馬里蘭大學(xué)的Ichiro Takeuchi教授。此項工作得到了國家自然科學(xué)基金委員會、北京航空航天大學(xué)青年拔尖人才支持計劃、北京航空航天大學(xué)杭州創(chuàng)新研究院（余杭）的資助。