宽温区铁电电卡效应相变调控的理论研究

发布时间：2020-06-02 03:39

【摘要】：制冷技术的应用覆盖了工农业生产、生物医疗、科学研究和日常生活等各领域。目前的制冷主要依赖于传统的压缩机制冷,但压缩机制冷无法摆脱制冷剂的使用,会排放大量气体引发全球性的温室效应。电卡制冷是通过电场来诱导铁电体的相变使材料的熵发生改变,进而控制材料的吸/放热过程,可实现热搬运和制冷。电卡制冷无需危害环境的制冷剂,更加绿色环保,并且具有简单轻便的特点。因此,电卡制冷技术成为新型制冷的重要发展方向,也是目前材料研究的热点。目前报道的电卡效应的温变范围普遍较窄,甚至是在某一个固定的铁电-顺电相变温度点附近,并且往往这些温度点或温度区间高于室温,进而限制了电卡效应的应用。为解决目前存在的问题,我们从理论上提出了设计宽温区电卡效应材料的设计方案和思路,分别利用应力、应变、相变,对加宽电卡效应的操作温度范围和提高电卡效应的熵变、温变进行研究。首先,设计构建了适用于拉伸应力和压缩应力对组分梯度钛酸锶钡铁电双层膜的电卡效应宽温区协同作用的热力学模型。利用该模型验证了不同的组分梯度、压缩应力和拉伸应力的协同作用能够有效地调控钛酸锶钡双层膜的电卡绝热温变和温度区间。当外加应力为0.4 GPa时,体系的电卡绝热温差和温度范围分别为3.55K和267K。结果表明,通过调节铁电材料本身的组成成分和外加应力可以加宽材料的电卡效应温度区间。其次,设计构建了超晶格体系中的失配应变加宽电卡效应宽温区的研究模型,选取锆钛酸铅/钛酸铅超晶格体系为研究对象,利用热力学计算的方法,研究超晶格体系中的晶格失配对电卡效应温区的影响。由于铁电超晶格的组成材料为极薄的特殊结构,因此超晶格中同时存在层间失配应变和基底失配应变。通过计算结果得到了关于层间失配应变与基底失配应变的“相图”,两种失配应变的共同作用可加宽锆钛酸铅/钛酸铅超晶格的电卡效应的温度区间,达到281K;同时结果表明,改变超晶格体系中组成层的厚度比例,也能调控超晶格体系的转变温度和温度区间。不仅铁电材料中的铁电相-顺电相相变会影响电卡效应,反铁电相-铁电相、铁电相-反铁电相、反铁电相-顺电相相变过程同样也会对电卡效应产生影响。因此,选取了钐掺杂的铁酸铋体系为研究对象,利用热力学函数,研究铁电-反铁电相变对电卡效应的影响。结果表明,钐的掺杂可以诱导出铁酸铋中的反铁电相,进而影响电卡效应的熵变和温区范围。并且,静水应力也能产生同钐掺杂相似的影响,诱导铁酸铋出现反铁电相,从而加宽了电卡效应的温度范围。综上所述,为加宽电卡效应的操作温度范围,本文从不同的角度(应力、应变、相变)进行了材料模型的设计。利用热力学计算的方法,验证了铁电材料的弯曲效应、晶格失配以及金属掺杂等因素对电卡效应的影响,有利于未来高效率制冷设备的设计与开发。
【图文】：

电滞回线,极化强度,电场,饱和极化

铁电体的一个共同特征是当顺电相通过铁电相变温度冷却时形成畴结构。在逡逑极化发生改变的过程中，极化矢量与电场的非线性响应关系构成了电滞回线，逡逑如图２－１所示。逡逑／逡逑Ｐｒ逡逑－Ｅｃ邋０邋Ｅｃ逦＾逡逑－Ｐｒ逡逑逦逦逦Ｐｓ逡逑图２－１铁电体的电滞回线逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋２－１邋Ｔｈｅ邋ｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓ邋ｌｏｏｐ邋ｏｆ邋ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ逡逑由图２－１可以看出，当外加电场比较小时，极化强度随电场变化呈线性，逡逑但随着外加电场的逐步增大，线性关系被打破，当电场强度增加到一定程度逡逑时，，极化趋于饱和状态。进一步增强电场，极化强度依然增加，但速度明显逡逑趋于平缓，达到最大值，称为饱和极化强度八。然后开始降低电场强度，极逡逑化强度随之减小。当电场强度降为０时，极化并没有消失，此时称为剩余极逡逑化强度Ａ。继续反方向施加电场，极化强度又从０反向增加至剩余极化强逡逑度。随着反向电场的不断增大，极化强度达到反向饱和极化强度－＆。材料的逡逑极化强度回到零点时所处的电场大小称为矫顽力一般情况下

视角,格结构,钙钛矿,立方相

铜结构［２，３］、层状氧化铋结构［４－６］和焦绿石结构。其中，钙钛矿结构的化逡逑学通式为ＡＢ０３型，是铁电材料中研究较多的一种，如钛酸钡、钛酸铅、锆逡逑钛酸铅等。其结构如图２－２所示，空间群为ｐｗｊｍ。在经典的体心立方结构逡逑中，Ａ原子位于顶角，晶格中的氧原子形成八面体结构，Ｂ原子位于氧原子逡逑八面体的中心。在图２－２所示的晶格阵列中，６个氧原子构成了标准的八面体逡逑结构，八面体的顶角相互连接形成简单立方结构，而网格中的空位由Ａ原子逡逑占据。每个Ａ原子周围都有１２个等距的氧原子。每个氧原子的周围也有２逡逑个Ｂ原子和４个Ａ原子。逡逑一般来说，低电价、大半径的离子如Ｐｂ、Ｂａ、Ｓｒ等占据Ａ位，位于相逡逑邻的八个氧八面体的空隙，配位数为１２；而高电价、小半径的离子如Ｔｋ邋Ｚｒ、逡逑Ｎｉ等离子占据Ｂ位，位于氧八面体的中心，配位数为６。逡逑－４－逡逑
【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB61

【相似文献】