鐵電材料中的大電卡效應(yīng)

1、 第1期 魯圣國, 等: 鐵電材料中的大電卡效應(yīng) 11 圖 3 P(VDF-TrFE55/45mol%共聚物的電卡效應(yīng)30 Fig. 3 Electrocaloric effect of P(VDF-TrFE55/45mol% copolymers30 白洋等39也報道 為0.5 (340 K, 電場 30 MV/m38。 了 BaTiO3 多層陶瓷電容器的 ECE 測量結(jié)果, 他們得 到的結(jié)果為T=7.1 , S=10.1 J/(kgK(在 80 溫度 及 80 MV/m 電場下。他們發(fā)現(xiàn)電卡效應(yīng)依賴于電場 在上升或下降時的變化率。即調(diào)節(jié)電場上升和下降的 速度, 可以得到靜負(fù)熱流, 從而實現(xiàn)

2、制冷。 Kar-Narayan 等38認(rèn)為 BaTiO3 多層陶瓷電容器的電卡 效應(yīng)小的原因在于: 1BaTiO3 材料本身的電卡效應(yīng)(如 我們上面的唯像理論預(yù)測就小; 2電場不能加到 100 200 MV/m; 3電容器的改性有利于電容性能, 不利于 電卡效應(yīng); 4電卡活性區(qū)域由非活性的材料包圍, 進 一步壓抑了相變, 也減小了電卡效應(yīng)。最近, Defay 等40觀察到邊沿的夾持作用對 ECE 有明顯的影響。 看出 , 間接法得到的結(jié)果與直接法得到的結(jié)果一 致。它們在相變溫度以上可以比較, 隨溫度變化的 趨勢也一致。在相變溫度處的電卡效應(yīng)值最大。這 些結(jié)果與唯像理論的結(jié)果也是一致的。 本課題

3、組運用自己制造的電卡分析儀測量了高 能電子輻照的 P(VDF-TrFE68/32mol%共聚物。 經(jīng)高 能電子輻照后, 共聚物變成了弛豫型鐵電體。 在 36 和 160 MV/m 電場作用下, 該共聚物表現(xiàn)出絕熱溫變 為 20 , 熵變?yōu)?95 J/(kgK的電卡效應(yīng)30。 與此同時, 電卡效應(yīng)隨溫度變化的弱關(guān)系也基本得到了。 本課題組對一級相變鐵電聚合物的電卡效應(yīng)也 進行了測試。通過不同程度的輻照 , P(VDF-TrFE 65/35 mol%共聚物能從馳豫型鐵電體向一級相變正 常鐵電體變化。 在 50 和 180 MV/m 電場作用下, 該 共聚物表現(xiàn)出本征絕熱溫變?yōu)?35 , 本征熵變?yōu)?/p>

4、 160 J/(kgK的電卡效應(yīng)36。 3 電卡效應(yīng)研究的應(yīng)用前景 2.4 鐵電多層陶瓷電容器的電卡效應(yīng) 鐵電多層陶瓷更適合應(yīng)用于電卡器件。一方面, 電卡材料在制成器件時需要具有一定的功率。另一 方面, 材料要有較高的擊穿電場強度。 此外, 電卡材 料不能像薄膜材料那樣帶有基片 , 因而多層結(jié)構(gòu)將 是器件應(yīng)用的方向。 隨著電子信息技術(shù)的快速發(fā)展 , 陶瓷電容器的 片式化已經(jīng)占有電容器市場的絕大部分。 經(jīng)過幾十 年的發(fā)展歷程 , 到目前為止 , 多層片式陶瓷電容器 的制備工藝已經(jīng)非常成熟。 片式電容器的外形尺寸 已從 0805(2 mm1.3 mm到更小的 0603、0504、 0402、020

5、1 及 01005(0.4 mm0.2 mm。電極層和 介電層的厚度已小于 1 m37。 最近關(guān)于以 BaTiO3 為基的多層陶瓷電容器的 電卡效應(yīng)的報道越來越多。 Kar-Narayan 等報道 BaTiO3 多層陶瓷電容器(Y5V的直接測量絕熱溫度 對電卡效應(yīng)重新燃起的熱潮源于發(fā)表在 Science 雜志的關(guān)于 PZT 和 P(VDF-TrFE薄膜的兩項 工作23, 27。目前研究工作已經(jīng)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(shù)種材料表現(xiàn)出了誘人的應(yīng)用前 景。鐵電聚合物的絕熱溫變和等溫熵變?nèi)匀桓哂谄?它材料; 馳豫型鐵電體中具有納米無序態(tài)及室

6、溫平 均相變溫度。鐵電多層陶瓷也表現(xiàn)出較高的電卡效 應(yīng)的累積效應(yīng)。 一級相變單晶 BaTiO3 具有非常高的 電卡效率(Q/E, T/E。關(guān)于鐵電制冷器件方面, 早期 Sinyavsky41 等用鐵電陶瓷進行了電卡制冷器 件的嘗試 , 得到了約 4 的冷熱端溫差。最近 Gu 等采用輻照后的 P(VDF-TrFE多層膜以及一種往復(fù) 運動蓄熱的方式 , 得到了約 6 的冷熱端溫差 42, 表現(xiàn)出誘人的應(yīng)用前景。 隨著眾多在多層結(jié)構(gòu)設(shè)計、 熱流開關(guān)、新制冷材料的不斷開拓, 制備可實用化 的制冷器件指日可待。 4 結(jié)束語 本文介紹了電卡效應(yīng)的概念、研究歷史、 熱力 學(xué)唯像理論和一級相變的電卡效應(yīng)理論。 馳豫型鐵 電體聚合物和一級相變聚合物材料具有較大的電卡 效應(yīng)。 BaTiO3 單晶具有非常高的電卡效率 (Q/E, T/E。 多層陶瓷電容器在工藝上提供了向?qū)嵱闷?件邁進的可行性。最近在電卡器件研究的報道進一 步提高了向?qū)嵱没骷D(zhuǎn)化的可能性。 參考文獻: 1 Lines M, Glass