鐵電材料中電卡效應的制冷原理

制冷是人們日常生活中*的事情,從水果、蔬菜、肉類保鮮,到空調的使用,再到醫用方面的器官冷藏、核磁共振成像等,都需要制冷。普通的壓縮機制冷的方法已經差不多到了其極限,并且其排出的有機氣體,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的重視。尋找制冷方式成為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而導*化狀態發生改變而產生的絕熱溫度或等溫熵的變化。由于電卡效應直接與極化強度的變化相關,因而強極性的鐵電材料能產生較大的電卡效應。對極性材料施加電場,材料中的電偶極子從無序變為有序,材料的熵減小,在絕熱條件下,多余的熵產生溫度的上升。移去電場,材料中的電偶極子從有序變為無序,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,不足的熵導致材料溫度的下降。

這就是電卡效應的制冷原理。對于一個理想的制冷循環,電場移去時電卡材 料能從接觸的負載吸收熱量(等溫熵變)。然后電卡材料與負載分開,此時,若對電卡材料施加電場,材料的溫度將會升高(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,并與負載相接觸。移去電場,電卡材料的溫度降低,并從負載處吸收熱量。重復整個過程,負載的溫度會不斷降低。這就是電卡制冷機的基本原理。由于在熱循環過程中,電卡材料的熵變和溫變都起到了作用,兩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世紀30年代,兩位德國科學家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,兩位美國科學家重復了他們的實驗, 并在 22.2 ℃, 1.4 kV/cm 的條件下,測得絕熱溫度變化為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較低,材料的選擇范圍也相對較窄。與此同時,磁卡效應的研究取得了一系列成果,獲得了數種被稱為巨磁卡效應的材料體系,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的絕熱溫度變化達到4℃/T(T-特斯拉)。相應地,磁卡制冷機也被研制出來。磁卡制冷與電卡制冷都是利用固態相變制冷,在原理上沒有本質的區別。磁卡效應的優點是磁場不必與樣品接觸,并且可以非常強而不考慮擊穿的問題;缺點是磁場的產生需要磁鐵,這阻礙了制冷器件的小型化,在設計上也很不靈活。電卡效應電場的設計取決于高壓端的形狀,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,預測電卡制冷器件的應用前景。