铁电薄膜弹卡效应调控的热力学研究
发布时间：2020-08-25 06:40
【摘要】：铁电薄膜绝热条件下施加应力场时,自身的温度出现升高或者降低的现象分别称为正弹卡效应与负弹卡效应。铁电薄膜弹卡制冷具有高效节能、性能稳定、环保等优点,同时利用正负弹卡效应会获得更高的制冷效率,在电子器件温度调节等固体制冷领域具有很大的应用潜力。但是目前铁电薄膜弹卡效应只在远高于室温且较小的温度范围具有大的温度改变,不利于实际应用。因此,如何使铁电薄膜弹卡效应具有室温化及宽温域化的效果,是铁电薄膜弹卡效应在固体制冷应用中需要解决的两个重要问题。本论文基于朗道-德文希尔铁电相变理论,对钛酸铅薄膜弹卡效应进行研究,构建并修正了钛酸铅薄膜弹卡效应热力学特征函数及系数。通过对钛酸铅薄膜的极化分布与弹卡效应进行模拟分析,总结出强化钛酸铅薄膜弹卡效应制冷的调控机理。具体的研究内容与结果如下:(1)构建了钛酸铅薄膜弹卡效应的热力学模型并得到了不同条件下的极化分布。分析得出:钛酸铅薄膜弹卡效应主要与垂直于平面的极化变化有关;不同的应力场作用下的极化分布也不同;外电场可增大应力场作用下的极化,并且使极化分布的温度范围增大,有利于弹卡效应在较宽的温度范围发挥作用;压缩失配应变增大极化且使居里温度向高温方向移动,拉伸失配应变减小极化使距离温度向低温方向移动。(2)根据构建的钛酸铅薄膜弹卡效应模型,分析了应力场、不同失配应变及电场对弹卡效应影响。拉伸应力场产生正弹卡效应,压缩应力场产生负弹卡效应同时还使得温度改变的峰值偏向室温方向。各向同性拉伸失配应变增强负弹卡效应,大小为0.001的拉伸失配应变使负弹卡效应温度改变的峰值增大2.3 K,室温附近的温度改变增大约1.2 K,同时峰值所在温度向室温方向偏移了约55 K;压缩失配应变对正弹卡效应有一定的促进作用。电场增强正弹卡效应,当施加电场为400 kV/cm时,正弹卡效应温度改变的峰值增大约8 K,电场抑制负弹卡效应,施加同样电场时,温度改变的峰值由负值变为正值。通过耦合电场与应力场,并经过失配应变调控后,同时利用钛酸铅薄膜的正负弹卡效应可以获得大的温度改变峰值,并且室温附近的温度改变可以达到13.8 K,对于钛酸铅薄膜弹卡效应在固体制冷上的应用很有指导意义。
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM221;TB383.2
【图文】：
水平的迅速发展与社会的不断进步，制冷技术及设备单的利用空气流动带走热量的气体制冷技术，到广泛等产品的液体制冷技术等，为人们日常生活带来了舒研提供了冷却保障。但为适应社会的绿色和谐发展，格。传统的常用冷却技术因使用氟利昂等制冷剂会造球温室效应加剧等严峻环境问题，另外，随着信息技术成度要求越来越高，电子集成器件的散热问题就愈发问题主要是由于热效应所致，由热失效导致的电子器半以上。一般情况下，电子产品温度每升高十度，温度控制已成为电子信息工业发展的制约因素之一。面是需要研发安全环保的新型制冷剂以减少人类生存研究表明，世界上制冷剂单质已经基本全部被发掘出环境友好、制冷效率高的制冷原理及工艺，在新近发制冷技术无需使用氟利昂等制冷剂而环保，并且制冷较好的满足上述制冷技术的发展需求。
发现了材料的气压效应、弹卡效应和电卡效应等。磁制冷冷是一种基于磁热效应的制冷技术。磁热效应是指磁的外磁场强度发生变化使自发磁化强度发生改变而伴如图 1.2 所示，热量循环过程：在绝热条件下，未加入处于无序状态此时系统有较大的熵，加入外磁场时，序)，使熵降低，在绝热条件下去除磁场，由于绝热去便产生致冷效应。Gschneidner，Franco 等对磁热效应的研究[4-5]。冷以固体材料为介质，消除了因使用氟利昂等制冷剂高效节能，稳定可靠，可大幅降低产生的机械振动带寿命长等优势。但是目前绝热去磁制冷仍然存在一些磁场，而制造产生大磁场的设备技术要求高导致设备度限制了绝热去磁制冷的应用范围；三是因制造强磁
图1.3 显示半导体热电制冷原理示意图。基于“帕尔贴效应”的半导体固体制冷是通过多层半导体制冷片叠加组成器件实现制冷，只需要控制电流及半导体材料就可以控制制冷效果，其优点在于无运动部件、无噪音、易于控制、少疲劳而使用寿命长等优点，可应用于军事上的红外探测、医疗上细菌培养箱的控温、科研实验用的冷藏等多方面。但是半导体制冷温差较小和制冷系数不高，导致其制冷效率较低。图 1.3 半导体制冷单元制冷原理示意图[9]1.2.3 电卡制冷电卡制冷是基于电卡效应进行绝热去极化的一种制冷技术。通过对绝热条件下的铁电材料施加或改变外电场来改变其极化状态，由材料的电卡效应而引起温度改变达到制冷目的。在绝热条件下，当材料处于极化无序状态时的熵较大，施加或改变外加电场，极化分布在外电场作用下转变为有序态而使材料的熵减小。在系统与外界环境没有热交换的绝热条件下，而极化状态的有序化使得材料自身温度升高而放出热量。当撤去外电场，使材料从极化有序态变化为无序态，引起温度降低，材料吸收热量，从而达到制冷目的[13,16]。原理过程如图 1.4 所示。电卡制冷原理与绝热去磁制冷原理相似。电卡制冷拥有与绝热去磁制冷同样环保无污染、微型化、高效节能、性能稳定等优点，因此电卡制冷的在固体制冷上的研究也受到广泛关注，在铁电材料中发现大的电卡效应后，电卡效应的调控
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM221;TB383.2
【图文】：
水平的迅速发展与社会的不断进步，制冷技术及设备单的利用空气流动带走热量的气体制冷技术，到广泛等产品的液体制冷技术等，为人们日常生活带来了舒研提供了冷却保障。但为适应社会的绿色和谐发展，格。传统的常用冷却技术因使用氟利昂等制冷剂会造球温室效应加剧等严峻环境问题，另外，随着信息技术成度要求越来越高，电子集成器件的散热问题就愈发问题主要是由于热效应所致，由热失效导致的电子器半以上。一般情况下，电子产品温度每升高十度，温度控制已成为电子信息工业发展的制约因素之一。面是需要研发安全环保的新型制冷剂以减少人类生存研究表明，世界上制冷剂单质已经基本全部被发掘出环境友好、制冷效率高的制冷原理及工艺，在新近发制冷技术无需使用氟利昂等制冷剂而环保，并且制冷较好的满足上述制冷技术的发展需求。
发现了材料的气压效应、弹卡效应和电卡效应等。磁制冷冷是一种基于磁热效应的制冷技术。磁热效应是指磁的外磁场强度发生变化使自发磁化强度发生改变而伴如图 1.2 所示，热量循环过程：在绝热条件下，未加入处于无序状态此时系统有较大的熵，加入外磁场时，序)，使熵降低，在绝热条件下去除磁场，由于绝热去便产生致冷效应。Gschneidner，Franco 等对磁热效应的研究[4-5]。冷以固体材料为介质，消除了因使用氟利昂等制冷剂高效节能，稳定可靠，可大幅降低产生的机械振动带寿命长等优势。但是目前绝热去磁制冷仍然存在一些磁场，而制造产生大磁场的设备技术要求高导致设备度限制了绝热去磁制冷的应用范围；三是因制造强磁
图1.3 显示半导体热电制冷原理示意图。基于“帕尔贴效应”的半导体固体制冷是通过多层半导体制冷片叠加组成器件实现制冷，只需要控制电流及半导体材料就可以控制制冷效果，其优点在于无运动部件、无噪音、易于控制、少疲劳而使用寿命长等优点，可应用于军事上的红外探测、医疗上细菌培养箱的控温、科研实验用的冷藏等多方面。但是半导体制冷温差较小和制冷系数不高，导致其制冷效率较低。图 1.3 半导体制冷单元制冷原理示意图[9]1.2.3 电卡制冷电卡制冷是基于电卡效应进行绝热去极化的一种制冷技术。通过对绝热条件下的铁电材料施加或改变外电场来改变其极化状态，由材料的电卡效应而引起温度改变达到制冷目的。在绝热条件下，当材料处于极化无序状态时的熵较大，施加或改变外加电场，极化分布在外电场作用下转变为有序态而使材料的熵减小。在系统与外界环境没有热交换的绝热条件下，而极化状态的有序化使得材料自身温度升高而放出热量。当撤去外电场，使材料从极化有序态变化为无序态，引起温度降低，材料吸收热量，从而达到制冷目的[13,16]。原理过程如图 1.4 所示。电卡制冷原理与绝热去磁制冷原理相似。电卡制冷拥有与绝热去磁制冷同样环保无污染、微型化、高效节能、性能稳定等优点，因此电卡制冷的在固体制冷上的研究也受到广泛关注，在铁电材料中发现大的电卡效应后，电卡效应的调控
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本文编号：2803390
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