电致结晶聚酰胺新型电卡材料的制备与电卡效应研究

发布时间：2020-07-17 02:23

【摘要】：电卡材料通过电场作用能够调制其偶极子而实现可逆温度变化,从而实现电卡效应制冷,此制冷技术具有体积小、效率高和环保等优点,因此在小型化电子元器件散热方面具有广泛的应用前景。现有聚合物基电卡材料具有比较高的电卡效应,但是存在电卡强度低和制冷容量小等问题。本论文从聚酰胺的聚集态结构转变过程中熵变的角度出发,详细探讨了电场作用下聚酰胺的络合-解络合过程及聚集态结构转变过程,并对其电卡效应及其影响因素进行深入地研究。通过溶剂-流延成膜法,采用CaCl_2为络合剂,制备了非晶态聚酰胺66/CaCl_2络合物薄膜,实现了聚酰胺66从结晶态到非晶态的转变;使用去离子水、无水乙醇和2-氯乙醇对聚酰胺66络合物薄膜进行解络合,聚酰胺66从非晶态转变为结晶态。利用可以人为控制聚酰胺66的聚集态结构原理,将其应用于电卡效应制冷技术中,并通过理论计算获得其最大理论等温熵变和绝热温变分别为653.4 J kg~(-1) K~(-1)和162.3 K。采用熔融共混-压延成膜法,制备了非晶态聚酰胺66/CaCl_2络合物薄膜。当CaCl_2含量达到5 vol%时,聚酰胺66完全转变为非晶态,Ca~(2+)与分子链中酰胺键中的N元素和O元素均发生络合反应(以与N元素络合为主),分子链之间的氢键作用被破坏。在0.4 kV cm~(-1)的电场作用下,Ca~(2+)发生迁移并呈现梯度分布,Ca~(2+)与酰胺键的络合作用被破坏,酰胺键之间重新形成氢键结构;移除电场之后,Ca~(2+)发生回迁,酰胺键之间的氢键作用被破坏,Ca~(2+)与酰胺键重新发生络合。在此过程中,非晶态聚酰胺66/CaCl_2络合物薄膜产生的电卡效应约1 K,其电卡强度为2.5 K cm kV~(-1)。通过调节聚酰胺66、CaCl_2和2-氯乙醇的比例,制备了聚酰胺66/CaCl_2高分子凝胶体。在0.4 kV cm~(-1)的电场作用下,5%PA66/CaCl_2高分子凝胶体能够产生的电卡效应为1.3 K,其电卡强度为3.25 K cm kV~(-1)。在0~0.4 kV cm~(-1)的范围内,凝胶体的电卡效应随着电场强度的增加而增加;在0.4 kV cm~(-1)电场作用下,其电卡效应随着Ca~(2+)含量(3 vol%~5 vol%)的增加先升高后降低;在凝胶体中引入OMMT片层材料,能够有效地缩短电卡效应的响应时间。
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ317;TB383.2
【图文】：

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图1-1电卡材料中偶极子变化示意图re1-1 Schematic of dipole change in electrocaloric ma效应与材料的极化强度变化值 ΔP 有直接的关系，因铁电材料为主[11]。目前电卡效应的理论还存在很大者认可的理论，一般用热力学理论对电卡效应进行是热电效应的逆效应，因此电卡效应还与热释电系角度，电卡效应与热释电系数的关系如下[13-15]：斯韦关系式：,=,= 时，式（1-1）可表示为：= 熵，pE是热电系数，X 为应力，D=εoE+P 为电位.85×10 12Fm-1）为真空介电常数，为电场作用

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这项重大发现强烈推动了电卡效应的发展，加强了用的渴望，增加了研究者对铁电聚合物的研究热情。，电卡效应引起越来越多研究者的注意，电卡材料也得到组装与应用成为当下研究者急需解决的问题。2009 年，组装多层电容器的方法得到多层电卡器件，在较小的直应，尽管电卡效应比较微弱，但是使得普通直流电源制冷件结构更大程度上推动了器件的发展。随着人类对聚合延展性和可塑性的特点，极大加快了可穿戴电卡器件的发[28]制备出 24 层结构的电卡器件，在 100 MV m-1电场的绝热温变，通过模拟在更大电场场强的作用下，能够产生电卡制冷技术的应用奠定了基础。总之，人类在不断深入也迫切希望能够探求新的电卡材料，更快地实现电卡器应用[29]。效应的制冷工作原理

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板（散热器），在电卡材料聚合物叠层两端施加电场；（ii）保持外电场不变，电卡材料聚合物叠层堆积到热沉上的热量通过散热器传递到外界环境；（iii）电卡材料叠层两端移除电场，材料中偶极子变为无序排列，材料本身温度降低；（iv）静电致动作用下，电卡材料聚合物叠层与底部铝板（热源）接触，保持电卡材料两端电场为零，电卡材料叠层从热载吸收热量，对热载实现电卡制冷（图 1-3c）。

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