铁电陶瓷电卡制冷系统的结构研究

Electrocaloric refrigeration is a new kind of solid-state refrigeration technology. It utilizes the electrocaloric effect of ferroelectric materials. Electrocaloric refrigeration has the advantage of high conversion efficiency, small volume and refrigeration cycle easy to be realized. The ferroelectric ceramic as a kind of bulk materials has high electrocaloric coefficient. It can meet the refrigerating capacity requirement of middle and large sized equipment. The structure of refrigeration system greatly affects its efficiency. However the complex structure is hard to be realized with traditional ceramic manufacturing technology. With 3D printing the complex multi void structures are easy to be achieved. The heat exchange of electrocaloric effect is improved with such structures, thus the refrigeration efficiency can be increased. Based on the phase field theory, in the study the electrocaloric effect of ferroelectric multicrystal ceramic is studied, the electrocaloric refrigerating system is designed. The effects of structures and boundary conditions are analyzed with the multi-field coupling analyzation of finite element software. The multi void structures of ferroelectric ceramic are printed with 3D printing equipment. The model of electrocaloric refrigerating system is fabricated. The experiment of measuring refrigeration capacity is carried out. The experiment results are compared with the theory analyzation results. The correctness of theory model is validated. The research provides a new method of solid-state refrigeration technology.

铁电电卡制冷技术属于一种新型固体制冷技术，该技术利用铁电材料的电卡效应，具有转换效率高、体积小、制冷循环容易实现的特点。铁电陶瓷作为一种体材料，其电卡系数高，能够满足中型以上制冷设备的制冷量要求。制冷系统的结构对制冷效率有很大影响，而传统的陶瓷制备技术难以实现复杂结构，3D打印可以实现复杂多空隙结构，这种结构有利于电卡效应的热交换从而提高制冷效率。本项目基于铁电材料的相场理论，研究铁电多晶陶瓷的电卡效应，设计铁电电卡制冷系统，并通过有限元软件分析结构和机械边界条件对制冷效率的影响，利用3D打印技术打印铁电陶瓷多空隙结构，制作电卡制冷系统模型，进行制冷特性测量实验，将实验结果与理论模型的数值模拟结果作对比，验证理论模型的正确性，为固体制冷技术的发展提供一种新方法。

铁电电卡制冷技术属于一种新型固体制冷技术，该技术利用铁电材料的电卡效应，具有转换效率高、体积小、制冷循环容易实现的特点。铁电陶瓷作为一种体材料，其电卡系数高，能够满足中型以上制冷设备的制冷量要求。制冷系统的结构对制冷效率有很大影响，而传统的陶瓷制备技术难以实现复杂结构，3D打印可以实现复杂多空隙结构，这种结构有利于电卡效应的热交换从而提高制冷效率。本项目基于铁电材料的相场理论，研究铁电多晶陶瓷的电卡效应，设计铁电电卡制冷系统，并通过有限元软件分析结构和机械边界条件对制冷效率的影响，利用3D打印技术打印铁电陶瓷多空隙结构，制作电卡制冷系统模型，为固体制冷技术的发展提供一种新方法。本项目取得的研究成果如下：.1.提出使用“结构调控”的手段对纳米铁电制冷元件的优化设计，并通过相场模拟研究了几何构型对多孔纳米铁电材料电卡性能的影响。对于所选取的三类阿基米德铁电结构，发现具有蜂窝状几何构型的铁电体展现出了最大的绝热温变，且其最大值对应温度更加靠近室温。.2.采用有限元软件COMSOL建立了铁电电卡制冷结构的热传导模型，针对所设计的三种二维阿基米德多孔铁电体模型，采用固体传热模块计算不同结构的电卡性能。首先分析多孔铁电结构自身在相同外加电场和绝热条件下产生的温度变化和分布。最后分析在相同液体流动速度和电场下，具有不同多孔铁电结构的制冷元件对冷端和热端的温度差以及最终的制冷效果的影响。应用熔融沉积和数字光处理3d打印技术初步实现了微米尺度的多孔铁电结构，利用间接法对部分陶瓷的电卡性能进行了测试。.3.采用相场法研究了钛酸铅（PbTiO3）铁电薄膜在不同错配应变下的电卡性能。结果表明，错配应变会诱导铁电薄膜在特定温度处发生多畴到单畴的转变，从而导致较大的负电卡效应，而且可以通过调整施加错配应变的大小来对负电卡性能进行调控。该研究成果将为铁电薄膜在固体制冷领域的应用提供理论指导。