【《电卡效应简介概述》1700字】

第第页共22页电卡效应简介概述1.1电卡效应与制冷原理电卡效应（ECE）指的是当有电场（E）加在极化材料上或移除电场时极化材料所展现出来的可逆的热量变化效应。具体而言，当施加或增大电场时，处于电场中的铁电电介质受激极化强度增大，电偶极子沿电场方向排布，进而使得电偶极子由无序转变为有序。整个过程熵减，同时系统的温度升高。反之，当减小或移除电场时，系统的熵提升，温度也随之降低。利用这一性质，可以在各种需要制冷的系统应用电卡效应实现制冷功能。图1-1电卡制冷与卡诺循环热机制冷电卡制冷所涉及的原理与卡诺循环热机制冷近似。制冷过程可分为四步。如图1-1所示：（1）对铁电电介质施加外电场，在外电场的作用下，电介质中的电偶极子趋向于同向排布，极化强度升高，系统熵减，此时材料的温度上升△T至T+△T。将材料与需要制冷的目标物体分开。（2）维系外加电场稳定，将铁电电介质与散热片结合。使其由温度由T+△T下降至T。（3）移除铁电电介质所处的电场，没有外电场作用后，电解质中的偶极子趋于随机取向，极化强度减弱，系统熵增。此时材料温度由T下降至T-△T。（4）将材料与需要制冷的目标物体结合使其降温，材料的熵不变，完成电卡制冷循环。在上述过程的反复循环下，通过外加电场的不断施加和移除完成持续的制冷效果。如果增强材料所处电场，使得铁电电介质的受电场激发生成的极化强度P更强，则整个系统的熵变△S将变得更大而获得更优秀的制冷效果。1.2电卡效应的参数计算在热力学中，通常使用极化强度P、外加电场强度E、和温度T之间的关系公式来描述计算电卡效应的强度。由上一节所述电卡效应的本质是伴随着极化强度的改变而出现的温度的变化。由热力学公式可得到吉布斯自由能G：（1-2）对式（1-2）微分有：（1-3）有麦克斯韦方程可以推得：（1-4）计算得到电卡效应的绝热温变△T和等温熵变△S：（1-5）（1-6）1.3电卡效应研究现状1930年罗息盐已经开始进行电卡效应的研究，20世纪40年代源于战争期间对于电子元器件的研究，BaTiO3的铁电性被发掘出来。至20世纪50年末，约有100种物质证实拥有铁电性。1958安德森提出软模学说。尽管如此，在这20年的时间内，电卡效应的研究进展依旧十分较慢。20世纪60~80年代，对于电卡效应的研究才逐步为人们所重视。人们对KCL:OH、KCL:Li、RbCl:OH等各种材料进行了非常多探究外电场和温度变化之间联系的实验。但是结果不尽人意。在其他物质证实不适合实际应用后人们将目光转向了铁电材料，如PST、PST/PSN和PMN/PT等。上世纪对于电卡效应的探索基本汇聚于陶瓷块体材料上，人们对于薄膜材料涉及不多。且陶瓷材料本身受击穿场强的限制，研究人员并未能在这方面取得较大突破。2006年，科研人员在陶瓷薄膜材料方面的突破使得人们的目光聚焦到该领域上。Science杂志报导的一种350nm厚PbZr0.95Ti0.05O3薄膜在一定条件下，因电卡效应导致的温变△T高达12K左右。2008年铁电聚合物方面的研究也取得了突破，Science杂志报导了一种厚度为1um的铁电聚合物P（VDF-TrFE）在55℃所得到的最大温度变化为12K。这两项关键性的发现使得电卡效应的研究得到更进一步的发展。但是，这两种材料都各自有着不同的缺点。如：铁电聚合物拥有着较大的击穿场强但是其在一定的电场条件下所具备的极化强度低于其他材料；而铁电陶瓷材料虽然在一定的电场条件下具备较大的极化强度但是其击穿场强较低。于是随着不断的探索，逐渐有人开始尝试复合铁电聚合物和陶瓷材料制薄膜，如Lu等人，对铁电陶瓷颗粒BaTiO3及Ba0.67Sr0.33TiO3进行Y、Sn元素掺杂后与铁电聚合物复合后观察到了显著的电学性能的提升。Bing等人的研究表明通过控制填料陶瓷的排列方向可以提升复合材料的极化强度以提高材料的储能性能。参考文献Nanotechnology-Nanocomposites;StudiesConductedatTsinghuaUniversityonNanocompositesRecentlyReported(AnAll-ScaleHierarchicalArchitectureInducesColossalRoom-TemperatureElectrocaloricEffectatUltralowElectricFieldinPolymerNanocomposites)[J].NanotechnologyWeekly,2020.QianJianfeng,PengRenci,ShenZhonghui,JiangJianyong,XueFei,YangTiannan,ChenLongqing,ShenYang.InterfacialCouplingBoostsGiantElectrocaloricEffectsinRelaxorPolymerNanocomposites:InSituCharacterizationandPhase-FieldSimulation.[J].Advancedmaterials(DeerfieldBeach,Fla.),2019,31(5).DouZhang,WeiweiLiu,RuGuo,KechaoZhou,HangLuo.HighDischargeEnergyDensityatLowElectricFieldUsinganAlignedTitaniumDioxide/LeadZirconateTitanateNanowireArray[J].AdvancedScience,2018,5(2).ZhangGuangzu,ZhangXiaoshan,YangTiannan,LiQi,ChenLong-Qing,JiangShenglin,WangQing.ColossalRoom-TemperatureElectrocaloricEffectinFerroelectricPolymerNanocompositesUsingNanostructuredBariumStrontiumTitanates.[J].ACSnano,2015,9(7).BretNeese,BaojinChu,Sheng-GuoLu,YongWang,E.Furman,Q.M.Zhang.LargeElectrocaloricEffectinFerroelectricPolymersNearRoomTemperature[J].Science,2008,321(5890).A.S.Mischenko,Q.Zhang,J.F.Scott,R.W.Whatmore,N.D.Mathur.GiantElectrocaloricEffectinThin-FilmPbZr0.95Ti0.05O3[J].Science,2006,311(5765).Li,Qi;Zhang,Guangzu;Zhang,Xiaoshan;Jiang,Shenglin;Zeng,Yike;Wang,Qing(2015).RelaxorFerroelectric-BasedElectrocaloricPolymerNanocompositeswithaBroadOperatingTemperatureRangeandHighCoolingEnergy.AdvancedMaterials,27(13),2236–2241.doi:10.1002/adma.201405495

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