鐵電材料中電卡效應的製冷原理

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,再到醫用方麵的器官冷藏、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。本文將通過介紹電卡效應的熱力學理論,以及在鐵電陶瓷、單晶、鐵電薄膜以及鐵電聚合物中的研究現狀,探索提高電卡效應的途徑,預測電卡製冷器件的應用前景。