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1、铁电材料中的电卡效应 陈攀 李志昂 崔璋璋 主要内容 简介 热力学理论 实例及讨论 介电材料中 因外电场的作用而导致偶极子极化状态发生改变 进而产生自身的温度的变化 T或熵的变化 S 由于电卡效应直接与极化强度P的变化 P相关 因而强极性的铁电材料能产生较大的电卡效应 电卡效应 具有较大电卡效应的材料有望实现介电制冷 相比传统的蒸发 压缩制冷而言 其具有更高的效率及环保的优点 传统的气体压缩制冷效率较为低下 而且使用氟利昂作为致冷剂会对臭氧层产生破坏 所以发展新型的制冷技术成为当前制冷业的迫切要求 以研究新的物理效应为基础 寻找新的材料 开发新型 环保的制冷器 如热电制冷 磁制冷 铁电制冷等
2、越来越得到研究者的重视 电卡效应制冷的原理 步骤一 绝热极化 施加外加电场 偶极子有序排列 熵值减小 温度上升 步骤二 等电位焓转移 热量转移 自身温度降低 保持电场不变 防止偶极子再次吸热 与散热片接触 步骤三 绝热去极化 与散热片断开 移除电场 偶极子紊乱无序 能量从热熵转变成偶极子熵 自身温度降低 步骤四 等电位焓转移 电场保持为0 此时电卡材料温度低于制冷环境温度 能量从低温热源转移到电卡材料上 与负载接触 电卡制冷过程 图1电卡效应制冷循环 左 及蒸汽 压缩制冷循环对比图解 蒸汽压缩制冷过程 蒸发器 冷凝器 节流器 压缩机 制冷剂 低压区 高压区 电卡效应的热力学理论 Maxwell
3、关系对于介电材料 弹性Gibbs自由能G可以展开为温度T 熵S 应力X 应变x 电场强度E和电位移D的函数 由多元微分方程可得 上式可改写为 微分形式 1 2 等温熵变 绝热温变 上式只适用于连续相变的情形 对于一级相变和驰豫型铁电体并不适用 对于驰豫型铁电体 在某些温度区域存在非遍历性问题 对于一级相变铁电体 必须考虑相变潜热 亦即极化强度 P或电位移强度 D的跃变 根据Clausius Clapeyron方程 可得 等温熵变可写成 不考虑应力与极化强度的相互作用 弹Gibbs自由能可以写为 唯像理论 从这两个式子可以看出 电卡效应仅与唯像系数 和电位移强度D 或极化强度P 有关 这两个参数
4、在筛选材料时需要重点考虑 又由于 则 间接法 根据Maxwell关系式计算得到等温熵变 S和绝热温变 T 不适用于一级相变铁电体和弛豫型铁电体 直接法 直接测量电卡材料产生的等温熵变 S或绝热温变 T 相对直接法 比较电卡效应 与参比电阻在脉冲电压条件下的产热 测量方法 聚合物电卡效应测试示意图 PLZT薄膜的电卡效应 a vsTatdifferentfrequencies b directlymeasuredECEfor8 65 35PLZTthinfilms 125MV m roomtemperature SvsD2forthe8 65 35PLZTthinfilmsat318K Thes
5、lopesyieldthe coefficient 根据唯象理论计算进行拟合 可作为评价给定电位移D条件下产生电卡效应的能力 TheECEinnormalferroelectricP VDF TrFE 55 45mol copolymerfilms PVDF中的电卡效应 Sand TfortheP VDF TrFE copolymerwitha209 MV melectricfieldderivedfromthephenomenologicaltheory 209 MV m 根据唯象理论计算进行拟合 i Theexperimentalfilmscontainamorphousphase 25w
6、t whereasthetheorydealswiththecrystallinephaseonly ii Besidesthepurecrystallinephase theconversionbetweenthecrystallineandamorphousphaseswillalsocontributetotheECE iii TheECEfromthetheoryisderivedfortheferroelectricpolymerundermechanicalstress freeconditions whereastheexperimentallymeasuredECEisfrom
7、polymerfilmsthataresubjecttothemechanicalconstraintsofthesubstrate thereasonforhighervalues TheECEinrelaxorferroelectricpolymerP VDF TrFE CFE terpolymerfilms differentfromthenormalferroelectric Foranormalferroelectric attemperaturesabovetheF Ptransition ahigherfieldisrequiredtoinducethepolarphaseast
8、hetemperatureincreases Forarelaxorferroelectric astemperatureincreasingabovethedielectricconstantmaximum thecontributionofnanopolardomainreorientationstothepolarizationresponsewilldecrease sotheobservedvaluesincreasewithtemperature thereasonforthedifference 目前研究工作已经涵盖了无机铁电反铁电单晶 陶瓷 薄膜 厚膜 有机铁电薄膜 厚膜以及铁
9、电液晶等 数种材料表现出了诱人的应用前景 铁电聚合物的绝热温变和等温熵变仍然高于其它材料 驰豫型铁电体中具有纳米无序态及室温平均相变温度 铁电多层陶瓷也表现出较高的电卡效应的累积效应 随着众多在多层结构设计 热流开关 新制冷材料的不断开拓 制备可实用化的制冷器件指日可待 电卡效应研究的应用前景 references 1 S G Lu B Ro i Q M Zhang Z Kutnjak R Pirc MinrenLin XinyuLi andLeeGorny Comparisonofdirectlyandindirectlymeasuredelectrocaloriceffectinrelax
10、orferroelectricpolymersAppl Phys Lett 97 202901 2010 2 BretNeese BaojinChu Sheng GuoLu YongWang Furman Q M Zhang LargeElectrocaloricEffectinFerroelectricPolymersNearRoomTemperatureScience321 821 2008 3 S G Lu B Ro i Q M Zhang Z Kutnjak XinyuLi E Furman LeeJ Gorny MinrenLin B Mali M Kosec R Blinc and
11、R Pirc OrganicandinorganicrelaxorferroelectricswithgiantelectrocaloriceffectAppl Phys Lett 97 162904 2010 4 鲁圣国 唐新桂 伍尚华 ZHANGQi Ming 铁电材料中的大电卡效应JournalofInorganicMaterials1000 324X 2014 01 0006 07 5 NEESE B LU SG CHU BJ etal ElectrocaloriceffectoftherelaxorferroelectricP VDF TrFE CFE terpolymerAppl Phys Lett 94 042910 2009 谢谢 感谢亲观看此幻灯片 此课件部分内容来源于网络 如有侵权请及时联系我们删除 谢谢配合
