《多場耦合條件下鐵電多層厚膜電卡效應的動力學研究》是依託北京科技大學，由白洋擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：多場耦合條件下鐵電多層厚膜電卡效應的動力學研究
- 依託單位：北京科技大學
- 項目負責人：白洋
- 項目類別：面上項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
鐵電製冷是一種利用電卡（熱）效應工作的高效固態製冷技術，是微電子和微機電系統最佳製冷方案之一。電卡效應是利用退極化過程中有序熵增加進行吸熱製冷，與鐵電相變過程中的相界移動密切相關。因此，電卡效應既決定於熱力學狀態，也受動力學過程影響。但是目前電卡效應的動力學研究還很缺乏。本項目將對多場耦合條件下動力學參數對鐵電多層厚膜電卡效應的影響展開系統研究。由於多層厚膜具有與薄膜類似的巨電卡效應，而且有效體積遠超薄膜，可以形成巨大的實際吸熱量，因此本項目以多層厚膜為主要研究對象，特別關注各動力學參數對電卡效應的影響，同時充分考慮應力-電場-溫度多場耦合作用的影響，以便獲得動力學參數影響電卡效應的規律和物理圖象，建立材料顯微結構特徵與動力學過程的關聯，並且通過動力學參數控制電卡效應來實現高效的單循環淨製冷。本項目不但對電卡效應的基礎研究具有重要意義，而且對鐵電製冷實用化也將起到促進作用。
結題摘要
鐵電製冷是一種利用鐵電材料電卡效應工作的高效固態製冷技術，是微電子和微機電系統最佳製冷方案之一。電卡效應利用撤電場退極化過程中有序熵增加進行吸熱製冷，與鐵電相變過程中的相界移動密切相關，因此電卡效應既決定於熱力學狀態，也受動力學過程影響，但是目前電卡效應的動力學研究還很缺乏。 本項目計畫系統研究鐵電陶瓷動力學參數對電卡效應的影響及其與材料組分和顯微結構關聯，最終通過調節動力學參數獲得高效的電卡效應循環製冷。項目按照原計畫進行，其中尤其對顯微結構及材料組分的影響進行了重點研究，最終成功獲得了由動力學參數控制的高效製冷循環。 首先，我們系統研究了動力學參數對鈦酸鋇基鐵電陶瓷電卡效應的影響。研究發現，鈦酸鋇陶瓷的物理特性受動力學參數影響顯著，符合指數標定率；但是鈦酸鋇單晶的則不受動力學參數的影響，且與不同晶體取向無關。利用動力學參數控制鈦酸鋇陶瓷多層厚膜的電卡效應成功地在單一循環內實現了高達0.37J/g的淨製冷量。 其次，我們設計實現了基於動力學參數控制的新型製冷方式設計，在實現高效製冷的同時簡化了微製冷器設計，摒棄了原設計中熱開關等複雜機構，該設計在2012年日內瓦國際發明博覽會上榮獲金獎。 再次，本項目系統研究了顯微結構及相變特徵對電卡效應的影響。實驗證明一級相變的電卡效應主要由相變熵所決定，為電卡效應決定因素的理論爭議提供了可靠的實驗證據。利用鈦酸鋇單晶的典型一級相變獲得了目前有文獻報導的最高電卡效率（4.8K@10kV/cm），還發現單晶電卡效應數值在交變電場與溫度的共同作用下顯著降低，這是國際上首次關注鐵電材料在電卡套用中的可靠性問題。鈦酸鋇陶瓷由於存在晶界等顯微缺陷電卡效應顯著降低（ΔT=0.5K），但是性能可靠性顯著提升，採用納米粉製備陶瓷模糊晶界可以有效地提升電卡效應（1.5K）並保持良好的可靠性。採用流延工藝製備多層厚膜陶瓷樣品，利用DSC直接熱流測試法表征了電卡性能，獲得了高達10.1J/kg的等溫熵變。還在國際上首次在鈦酸鉍鈉陶瓷中發現了反常電卡效應，引領了該領域的新方向。 最後，本項目系統探討了不同電卡效應表征方法之優缺點，重點分析了目前最普遍採用的熱力學間接表征法的種種問題及其中假象的產生，填補了本領域研究的一項空白。此外，還建立了一種新型電卡效應熵變直接測試方法。
