鐵電(dian)材(cai)料中(zhong)的(de)大電(dian)卡(ka)效(xiao)應(ying)的(de)應(ying)用前(qian)景

制冷是人(ren)們(men)日常生活(huo)中(zhong)*的(de)事(shi)情(qing), 從水果、蔬(shu)菜、肉類保鮮(xian), 到(dao)空(kong)調(tiao)的(de)使用, 再到(dao)醫(yi)用方(fang)面(mian)的(de)核磁共振(zhen)成(cheng)像(xiang)等, 都需(xu)要(yao)制冷。普(pu)通(tong)的(de)壓縮機制(zhi)冷的(de)方(fang)法(fa)已(yi)經(jing)差不(bu)多到(dao)了其(qi)極(ji)限, 並且(qie)其(qi)排(pai)出(chu)的(de)有(you)機氣體, 直接破壞(huai)嗅氧(yang)層, 引起(qi)了溫(wen)室效(xiao)應(ying), 對環(huan)境的(de)破(po)壞(huai)作用已越(yue)來(lai)越(yue)受(shou)到(dao)人(ren)們(men)的(de)重(zhong)視。尋(xun)找(zhao)制(zhi)冷方(fang)式(shi)成(cheng)為(wei)壹項刻不(bu)容緩的(de)任(ren)務。

電(dian)卡(ka)效(xiao)應(ying)(Electrocaloric Effect)是在極(ji)性(xing)材(cai)料中(zhong)因(yin)外(wai)電(dian)場(chang)的(de)改(gai)變(bian)從而(er)導(dao)*化(hua)狀(zhuang)態(tai)發生改(gai)變(bian)而(er)產生(sheng)的(de)絕熱溫(wen)度(du)或(huo)等溫(wen)熵(shang)的(de)變(bian)化(hua)。由於(yu)電(dian)卡(ka)效(xiao)應(ying)直接與極化(hua)強度(du)的(de)變(bian)化(hua)相關, 因(yin)而(er)強極(ji)性(xing)的(de)鐵(tie)電(dian)材(cai)料能(neng)產生(sheng)較(jiao)大的(de)電(dian)卡(ka)效(xiao)應(ying)。對極(ji)性(xing)材(cai)料施(shi)加電(dian)場(chang), 材(cai)料中的(de)電(dian)偶(ou)極子(zi)從無(wu)序(xu)變(bian)為(wei)有(you)序(xu), 材(cai)料的(de)熵(shang)減(jian)小, 在絕熱條(tiao)件下(xia), 多余的(de)熵(shang)產生(sheng)溫(wen)度(du)的(de)上升。移去(qu)電(dian)場(chang), 材(cai)料中(zhong)的(de)電(dian)偶(ou)極子(zi)從有序(xu)變(bian)為(wei)無(wu)序(xu), 材(cai)料的(de)熵(shang)增加, 在等溫(wen)條(tiao)件下(xia), 材(cai)料從外(wai)界吸(xi)收熱(re)量(liang)使能(neng)量(liang)守恒(heng)。或(huo)在絕熱條(tiao)件下(xia), 不(bu)足(zu)的(de)熵(shang)導(dao)致(zhi)材(cai)料溫(wen)度(du)的(de)下(xia)降(jiang)。這就(jiu)是電(dian)卡(ka)效(xiao)應(ying)的(de)制(zhi)冷原理(li)。

對於(yu)壹個理(li)想(xiang)的(de)制(zhi)冷循環(huan), 電(dian)場(chang)移(yi)去(qu)時(shi)電(dian)卡(ka)材(cai)料能(neng)從接觸(chu)的(de)負載(zai)吸(xi)收熱(re)量(liang)(等溫(wen)熵(shang)變(bian))。然(ran)後(hou)電(dian)卡(ka)材(cai)料與負載(zai)分開(kai), 此(ci)時(shi), 若(ruo)對電(dian)卡(ka)材(cai)料施(shi)加電(dian)場(chang), 材(cai)料的(de)溫(wen)度(du)將(jiang)會(hui)升高(絕熱溫(wen)變(bian))。將(jiang)電(dian)卡(ka)材(cai)料與散(san)熱片(pian)接觸(chu), 多余的(de)熱(re)量將(jiang)要(yao)釋(shi)放出(chu)去(qu), 使得電(dian)卡(ka)材(cai)料的(de)溫(wen)度(du)與室溫(wen)壹致。然(ran)後(hou), 電(dian)卡(ka)材(cai)料與散(san)熱片(pian)斷開(kai), 並與負載(zai)相接觸(chu)。移去(qu)電(dian)場(chang), 電(dian)卡(ka)材(cai)料的(de)溫(wen)度(du)降(jiang)低(di), 並從負載(zai)處(chu)吸(xi)收熱(re)量(liang)。重(zhong)復(fu)整個過程, 負載(zai)的(de)溫(wen)度(du)會(hui)不(bu)斷(duan)降(jiang)低(di)。這(zhe)就(jiu)是電(dian)卡(ka)制(zhi)冷機的(de)基(ji)本原理(li)。由於(yu)在熱(re)循環(huan)過程中(zhong), 電(dian)卡(ka)材(cai)料的(de)熵(shang)變(bian)和(he)溫(wen)變(bian)都(dou)起(qi)到(dao)了作用, 兩者(zhe)對(dui)熱循環(huan)都是非(fei)常重(zhong)要的(de)。

電(dian)卡(ka)效(xiao)應(ying)的(de)研(yan)究可(ke)以(yi)追(zhui)蹤(zong)到(dao)上個世(shi)紀(ji) 30 年(nian)代, 兩位(wei)德國(guo)科(ke)學家(jia) Kobeko 及 Kurtschatov 首(shou)先(xian)測量(liang)了羅息(xi)鹽(yan)的(de)電(dian)卡(ka)效(xiao)應(ying), 得到(dao)了定性(xing)結(jie)果(guo), 但沒(mei)有(you)數(shu)據報(bao)道(dao)。 1963 年(nian), 兩位美國(guo)科(ke)學家(jia)重復(fu)了他們(men)的(de)實(shi)驗(yan), 並在 22.2 ℃, 1.4 kV/cm 的(de)條(tiao)件下(xia), 測(ce)得絕熱溫(wen)度(du)變(bian)化(hua)為(wei) 0.0036 ℃。由於(yu)鐵(tie)電(dian)體(ti)等極性(xing)材(cai)料的(de)限(xian)制, 電(dian)卡效(xiao)應(ying)的(de)研(yan)究得到(dao)的(de)絕熱溫(wen)度(du)的(de)變(bian)化(hua)都小(xiao)於 1 ℃。這主(zhu)要是由(you)於體(ti)材(cai)料的(de)擊(ji)穿電(dian)場(chang)較(jiao)低(di), 材(cai)料的(de)選(xuan)擇(ze)範(fan)圍(wei)也(ye)相對較(jiao)窄(zhai)。 

與此(ci)同時(shi), 磁卡效(xiao)應(ying)的(de)研(yan)究取得了壹系(xi)列(lie)成(cheng)果(guo), 獲得了數種被(bei)稱(cheng)為(wei)巨(ju)磁卡效(xiao)應(ying)的(de)材(cai)料體(ti)系(xi), 如(ru)Gd5(SixGe4-x)、Tb5Si2Ge2、MnAs1-xSbx、La(Fe1-xSix)13、La(Fe1-xSix)13Hy、MnFePxAs1-x及 Ni2±xMn1±xGa。這些(xie)材(cai)料的(de)單(dan)位磁場的(de)絕熱溫(wen)度(du)變(bian)化(hua)達到(dao) 4 ℃/T(T-特斯拉)。相應地, 磁卡制冷機也(ye)被(bei)研制(zhi)出(chu)來(lai)。磁卡制冷與電(dian)卡(ka)制(zhi)冷都是利(li)用固(gu)態(tai)相變(bian)制(zhi)冷, 在原(yuan)理(li)上沒(mei)有(you)本質(zhi)的(de)區(qu)別(bie)。磁卡效(xiao)應(ying)的(de)優(you)點(dian)是磁場不(bu)必(bi)與樣品接觸(chu), 並且(qie)可(ke)以(yi)非(fei)常(chang)強而(er)不(bu)考(kao)慮(lv)擊穿的(de)問題(ti); 缺(que)點(dian)是磁場的(de)產(chan)生需(xu)要(yao)磁鐵, 這阻(zu)礙(ai)了制冷器(qi)件的(de)小(xiao)型(xing)化(hua), 在設計(ji)上也(ye)很(hen)不(bu)靈(ling)活。電(dian)卡(ka)效(xiao)應(ying)電(dian)場(chang)的(de)設計(ji)取決於(yu)高壓端的(de)形(xing)狀(zhuang), 在設計(ji)上非(fei)常靈活(huo)多樣。

電(dian)卡(ka)效(xiao)應(ying)研究的(de)應(ying)用前(qian)景。對電(dian)卡(ka)效(xiao)應(ying)重新(xin)燃起(qi)的(de)熱(re)潮源於發表在Science雜誌的(de)關於(yu)PZT和(he)P(VDF-TrFE)薄膜(mo)的(de)兩(liang)項工(gong)作。目(mu)前(qian)研究工(gong)作已(yi)經(jing)涵(han)蓋了無(wu)機(ji)鐵(tie)電(dian)反鐵(tie)電(dian)單(dan)晶(jing)、陶(tao)瓷、薄膜(mo)、厚膜(mo)、有機(ji)鐵電(dian)薄膜(mo)、厚膜(mo)以及(ji)鐵電(dian)液晶(jing)等, 數種(zhong)材(cai)料表現(xian)出(chu)了誘(you)人的(de)應(ying)用前(qian)景。鐵(tie)電(dian)聚(ju)合物的(de)絕熱溫(wen)變(bian)和(he)等溫(wen)熵(shang)變(bian)仍(reng)然(ran)高(gao)於(yu)其(qi)它(ta)材(cai)料; 馳豫(yu)型(xing)鐵(tie)電(dian)體(ti)中(zhong)具有(you)納(na)米(mi)無(wu)序(xu)態(tai)及室溫(wen)平(ping)均(jun)相變(bian)溫(wen)度(du)。鐵(tie)電(dian)多層陶(tao)瓷也表現(xian)出(chu)較(jiao)高(gao)的(de)電(dian)卡(ka)效(xiao)應(ying)的(de)累積(ji)效(xiao)應(ying)。壹級相變(bian)單(dan)晶(jing) BaTiO3 具有(you)非(fei)常高的(de)電(dian)卡(ka)效(xiao)率(lv)(ΔQ/ΔE, ΔT/ΔE)。關於(yu)鐵(tie)電(dian)制(zhi)冷器(qi)件方(fang)面(mian), 早(zao)期 Sinyavsky等用鐵電(dian)陶(tao)瓷進行了電(dian)卡(ka)制(zhi)冷器(qi)件的(de)嘗(chang)試, 得到(dao)了約 4 ℃的(de)冷熱端溫(wen)差(cha)。近(jin) Gu等采(cai)用輻照(zhao)後(hou)的(de) P(VDF-TrFE)多層膜(mo)以及壹種往(wang)復(fu)運(yun)動蓄熱的(de)方(fang)式(shi), 得到(dao)了約 6 ℃的(de)冷熱端溫(wen)差(cha), 表現(xian)出(chu)誘(you)人的(de)應(ying)用前(qian)景。隨著(zhe)眾多在多層結(jie)構(gou)設計(ji)、熱流開(kai)關、新(xin)制冷材(cai)料的(de)不(bu)斷(duan)開(kai)拓(tuo), 制備(bei)可(ke)實(shi)用化(hua)的(de)制(zhi)冷器(qi)件指(zhi)日可(ke)待。