多场耦合条件下铁电多层厚膜电卡效应的动力学研究

铁电制冷是一种利用电卡（热）效应工作的高效固态制冷技术，是微电子和微机电系统最佳制冷方案之一。电卡效应是利用退极化过程中有序熵增加进行吸热制冷，与铁电相变过程中的相界移动密切相关。因此，电卡效应既决定于热力学状态，也受动力学过程影响。但是目前电卡效应的动力学研究还很缺乏。本项目将对多场耦合条件下动力学参数对铁电多层厚膜电卡效应的影响展开系统研究。由于多层厚膜具有与薄膜类似的巨电卡效应，而且有效体积远超薄膜，可以形成巨大的实际吸热量，因此本项目以多层厚膜为主要研究对象，特别关注各动力学参数对电卡效应的影响，同时充分考虑应力-电场-温度多场耦合作用的影响，以便获得动力学参数影响电卡效应的规律和物理图象，建立材料显微结构特征与动力学过程的关联，并且通过动力学参数控制电卡效应来实现高效的单循环净制冷。本项目不但对电卡效应的基础研究具有重要意义，而且对铁电制冷实用化也将起到促进作用。

铁电制冷是一种利用铁电材料电卡效应工作的高效固态制冷技术，是微电子和微机电系统最佳制冷方案之一。电卡效应利用撤电场退极化过程中有序熵增加进行吸热制冷，与铁电相变过程中的相界移动密切相关，因此电卡效应既决定于热力学状态，也受动力学过程影响，但是目前电卡效应的动力学研究还很缺乏。.本项目计划系统研究铁电陶瓷动力学参数对电卡效应的影响及其与材料组分和显微结构关联，最终通过调节动力学参数获得高效的电卡效应循环制冷。项目按照原计划进行，其中尤其对显微结构及材料组分的影响进行了重点研究，最终成功获得了由动力学参数控制的高效制冷循环。.首先，我们系统研究了动力学参数对钛酸钡基铁电陶瓷电卡效应的影响。研究发现，钛酸钡陶瓷的物理特性受动力学参数影响显著，符合指数标定率；但是钛酸钡单晶的则不受动力学参数的影响，且与不同晶体取向无关。利用动力学参数控制钛酸钡陶瓷多层厚膜的电卡效应成功地在单一循环内实现了高达0.37J/g的净制冷量。.其次，我们设计实现了基于动力学参数控制的新型制冷方式设计，在实现高效制冷的同时简化了微制冷器设计，摒弃了原设计中热开关等复杂机构，该设计在2012年日内瓦国际发明博览会上荣获金奖。.再次，本项目系统研究了显微结构及相变特征对电卡效应的影响。实验证明一级相变的电卡效应主要由相变熵所决定，为电卡效应决定因素的理论争议提供了可靠的实验证据。利用钛酸钡单晶的典型一级相变获得了目前有文献报道的最高电卡效率（4.8K@10kV/cm），还发现单晶电卡效应数值在交变电场与温度的共同作用下显著降低，这是国际上首次关注铁电材料在电卡应用中的可靠性问题。钛酸钡陶瓷由于存在晶界等显微缺陷电卡效应显著降低（ΔT=0.5K），但是性能可靠性显著提升，采用纳米粉制备陶瓷模糊晶界可以有效地提升电卡效应（1.5K）并保持良好的可靠性。采用流延工艺制备多层厚膜陶瓷样品，利用DSC直接热流测试法表征了电卡性能，获得了高达10.1J/kg的等温熵变。还在国际上首次在钛酸铋钠陶瓷中发现了反常电卡效应，引领了该领域的新方向。.最后，本项目系统探讨了不同电卡效应表征方法之优缺点，重点分析了目前最普遍采用的热力学间接表征法的种种问题及其中假象的产生，填补了本领域研究的一项空白。此外，还建立了一种新型电卡效应熵变直接测试方法。