鐵電材料中的大電卡效應的應用前景

製冷是人們(men) 日常生活中*的事情, 從(cong) 水果、蔬菜、肉類保鮮, 到空調的使用, 再到醫用方麵的核磁共振成像等, 都需要製冷。普通的壓縮機製冷的方法已經差不多到了其極限, 並且其排出的有機氣體(ti) , 直接破壞嗅氧層, 引起了溫室效應, 對環境的破壞作用已越來越受到人們(men) 的重視。尋找製冷方式成為(wei) 一項刻不容緩的任務。

電卡效應(Electrocaloric Effect)是在極性材料中因外電場的改變從(cong) 而導*化狀態發生改變而產(chan) 生的絕熱溫度或等溫熵的變化。由於(yu) 電卡效應直接與(yu) 極化強度的變化相關(guan) , 因而強極性的鐵電材料能產(chan) 生較大的電卡效應。對極性材料施加電場, 材料中的電偶極子從(cong) 無序變為(wei) 有序, 材料的熵減小, 在絕熱條件下, 多餘(yu) 的熵產(chan) 生溫度的上升。移去電場, 材料中的電偶極子從(cong) 有序變為(wei) 無序, 材料的熵增加, 在等溫條件下, 材料從(cong) 外界吸收熱量使能量守恒。或在絕熱條件下, 不足的熵導致材料溫度的下降。這就是電卡效應的製冷原理。

對於(yu) 一個(ge) 理想的製冷循環, 電場移去時電卡材料能從(cong) 接觸的負載吸收熱量(等溫熵變)。然後電卡材料與(yu) 負載分開, 此時, 若對電卡材料施加電場, 材料的溫度將會(hui) 升高(絕熱溫變)。將電卡材料與(yu) 散熱片接觸, 多餘(yu) 的熱量將要釋放出去, 使得電卡材料的溫度與(yu) 室溫一致。然後, 電卡材料與(yu) 散熱片斷開, 並與(yu) 負載相接觸。移去電場, 電卡材料的溫度降低, 並從(cong) 負載處吸收熱量。重複整個(ge) 過程, 負載的溫度會(hui) 不斷降低。這就是電卡製冷機的基本原理。由於(yu) 在熱循環過程中, 電卡材料的熵變和溫變都起到了作用, 兩(liang) 者對熱循環都是非常重要的。

電卡效應的研究可以追蹤到上個(ge) 世紀 30 年代, 兩(liang) 位德國科學家 Kobeko 及 Kurtschatov 首先測量了羅息鹽的電卡效應, 得到了定性結果, 但沒有數據報道。 1963 年, 兩(liang) 位美國科學家重複了他們(men) 的實驗, 並在 22.2 ℃, 1.4 kV/cm 的條件下, 測得絕熱溫度變化為(wei)  0.0036 ℃。由於(yu) 鐵電體(ti) 等極性材料的限製, 電卡效應的研究得到的絕熱溫度的變化都小於(yu)  1 ℃。這主要是由於(yu) 體(ti) 材料的擊穿電場較低, 材料的選擇範圍也相對較窄。 

與(yu) 此同時, 磁卡效應的研究取得了一係列成果, 獲得了數種被稱為(wei) 巨磁卡效應的材料體(ti) 係, 如Gd5(SixGe4-x)、Tb5Si2Ge2、MnAs1-xSbx、La(Fe1-xSix)13、La(Fe1-xSix)13Hy、MnFePxAs1-x及 Ni2±xMn1±xGa。這些材料的單位磁場的絕熱溫度變化達到 4 ℃/T(T-特斯拉)。相應地, 磁卡製冷機也被研製出來。磁卡製冷與(yu) 電卡製冷都是利用固態相變製冷, 在原理上沒有本質的區別。磁卡效應的優(you) 點是磁場不必與(yu) 樣品接觸, 並且可以非常強而不考慮擊穿的問題; 缺點是磁場的產(chan) 生需要磁鐵, 這阻礙了製冷器件的小型化, 在設計上也很不靈活。電卡效應電場的設計取決(jue) 於(yu) 高壓端的形狀, 在設計上非常靈活多樣。

電卡效應研究的應用前景。對電卡效應重新燃起的熱潮源於(yu) 發表在Science雜誌的關(guan) 於(yu) PZT和P(VDF-TrFE)薄膜的兩(liang) 項工作。目前研究工作已經涵蓋了無機鐵電反鐵電單晶、陶瓷、薄膜、厚膜、有機鐵電薄膜、厚膜以及鐵電液晶等, 數種材料表現出了誘人的應用前景。鐵電聚合物的絕熱溫變和等溫熵變仍然高於(yu) 其它材料; 馳豫型鐵電體(ti) 中具有納米無序態及室溫平均相變溫度。鐵電多層陶瓷也表現出較高的電卡效應的累積效應。一級相變單晶 BaTiO3 具有非常高的電卡效率(ΔQ/ΔE, ΔT/ΔE)。關(guan) 於(yu) 鐵電製冷器件方麵, 早期 Sinyavsky等用鐵電陶瓷進行了電卡製冷器件的嚐試, 得到了約 4 ℃的冷熱端溫差。近 Gu等采用輻照後的 P(VDF-TrFE)多層膜以及一種往複運動蓄熱的方式, 得到了約 6 ℃的冷熱端溫差, 表現出誘人的應用前景。隨著眾(zhong) 多在多層結構設計、熱流開關(guan) 、新製冷材料的不斷開拓, 製備可實用化的製冷器件指日可待。