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鐵電材料中電卡效應(yīng)的制冷原理
制冷是人們?nèi)粘Ｉ钪?的事情,從水果、蔬菜、肉類保鮮,到空調(diào)的使用,再到醫(yī)用方面的器官冷藏、核磁共振成像等,都需要制冷。普通的壓縮機(jī)制冷的方法已經(jīng)差不多到了其極限,并且其排出的有機(jī)氣體,直接破壞嗅氧層,引起了溫室效應(yīng),對(duì)環(huán)境的破壞作用已越來越受到人們的重視。尋找制冷方式成為一項(xiàng)刻不容緩的任務(wù)。電卡效應(yīng)(Electrocaloric Effect)是在極性材料中因外電場(chǎng)的改變從而導(dǎo)*化狀態(tài)發(fā)生改變而產(chǎn)生的絕熱溫度或等溫熵的變化。由于電卡效應(yīng)直接與極化強(qiáng)度的變化相關(guān),因而強(qiáng)極性的鐵電材料能產(chǎn)生較大的電卡效應(yīng)。對(duì)極性材料施加電場(chǎng),材料中的電偶極子從無序變?yōu)橛行?材料的熵減小,在絕熱條件下,多余的熵產(chǎn)生溫度的上升。移去電場(chǎng),材料中的電偶極子從有序變?yōu)闊o序,材料的熵增加,在等溫條件下,材料從外界吸收熱量使能量守恒。或在絕熱條件下,不足的熵導(dǎo)致材料溫度的下降。
這就是電卡效應(yīng)的制冷原理。對(duì)于一個(gè)理想的制冷循環(huán),電場(chǎng)移去時(shí)電卡材 料能從接觸的負(fù)載吸收熱量(等溫熵變)。然后電卡材料與負(fù)載分開,此時(shí),若對(duì)電卡材料施加電場(chǎng),材料的溫度將會(huì)升高(絕熱溫變)。將電卡材料與散熱片接觸,多余的熱量將要釋放出去,使得電卡材料的溫度與室溫一致。然后,電卡材料與散熱片斷開,并與負(fù)載相接觸。移去電場(chǎng),電卡材料的溫度降低,并從負(fù)載處吸收熱量。重復(fù)整個(gè)過程,負(fù)載的溫度會(huì)不斷降低。這就是電卡制冷機(jī)的基本原理。由于在熱循環(huán)過程中,電卡材料的熵變和溫變都起到了作用,兩者對(duì)熱循環(huán)都是非常重要的。電卡效應(yīng)的研究可以追蹤到上個(gè)世紀(jì)30年代,兩位德國(guó)科學(xué)家Kobeko 及 Kurtschatov首先測(cè)量了羅息鹽的電卡效應(yīng),得到了定性結(jié)果,但沒有數(shù)據(jù)報(bào)道。1963年,兩位美國(guó)科學(xué)家重復(fù)了他們的實(shí)驗(yàn), 并在 22.2 ℃, 1.4 kV/cm 的條件下,測(cè)得絕熱溫度變化為0.0036 ℃。由于鐵電體等極性材料的限制, 電卡效應(yīng)的研究得到的絕熱溫度的變化都小于1℃。這主要是由于體材料的擊穿電場(chǎng)較低,材料的選擇范圍也相對(duì)較窄。與此同時(shí),磁卡效應(yīng)的研究取得了一系列成果,獲得了數(shù)種被稱為巨磁卡效應(yīng)的材料體系,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(chǎng)的絕熱溫度變化達(dá)到4℃/T(T-特斯拉)。相應(yīng)地,磁卡制冷機(jī)也被研制出來。磁卡制冷與電卡制冷都是利用固態(tài)相變制冷,在原理上沒有本質(zhì)的區(qū)別。磁卡效應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)是磁場(chǎng)不必與樣品接觸,并且可以非常強(qiáng)而不考慮擊穿的問題;缺點(diǎn)是磁場(chǎng)的產(chǎn)生需要磁鐵,這阻礙了制冷器件的小型化,在設(shè)計(jì)上也很不靈活。電卡效應(yīng)電場(chǎng)的設(shè)計(jì)取決于高壓端的形狀,在設(shè)計(jì)上非常靈活多樣。本文將通過介紹電卡效應(yīng)的熱力學(xué)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(xiàn)狀,探索提高電卡效應(yīng)的途徑,預(yù)測(cè)電卡制冷器件的應(yīng)用前景。