铁电材料电热效应的应变调控

发布时间：2017-08-08 10:34

  本文关键词：铁电材料电热效应的应变调控

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【摘要】：电热效应是指在绝热条件下,对铁电体施加电场时材料本身温度发生改变的现象。目前,电热效应受到人们越来越多的关注,在固态冷却设备中有广泛的应用前景。与现有的压缩式制冷比较,电热制冷是一种新型的、高效的、环保的制冷机制。而铁电材料由于其良好的电热性能一直被视为电热设备或电热性能研究的主要候选材料。因此,深入研究铁电材料的电热效应对于电热制冷技术的发展具有非常重要的理论指导意义。众所周知,铁电材料畴结构的变化可以显著的改变其压电、介电性能,因而铁电材料畴结构的变化对其电热效应也将产生显著的影响。而以往的研究结果表明外加应变可以使铁电材料在随温度变化的演化过程中由多畴态转化为单畴态,所以应变引发的畴变将会明显地影响铁电材料电热性能。因此,本文基于铁电材料热力学理论,采用相场法系统地研究了外加应变对多畴铁电体、铁电纳米管以及铁电多晶电热效应的调控作用。本文通过相场模拟发现多畴铁电体的畴变类似于相变可以引发大的电热效应,并使多畴铁电体在畴变温度附近具有异常大的电热效应。同时,由于畴变温度低于居里温度,且畴变温度与相变温度类似可以通过外加应变来进行调节,从而使多畴铁电体在较宽的温度范围内存在大的电热效应。其中拉应变不仅可以提高多畴铁电体的畴变温度,还使模型的平均绝热温度变化远远大于施加压应变的情况。但对于铁电纳米管而言,径向压应变使其在室温附近具有极大的电热效应,这主要是由外部作用引发的畴变即多畴转化为单畴引起。它为铁电纳米结构电热效应的应用提供了新的思路。最后对于铁电多晶体,从畴结构的演化来看,极化翻转首先发生在低取向角度的晶粒的晶界处。相比无应变状态,拉伸应变使铁电多晶体形核过程和多畴结构的形成更易进行。而在电热效应方面,拉应变却会减弱铁电材料的电热性能。综上,应变对不同铁电材料畴结构的变化都起到了独特的调控作用,而畴结构的变化会引发大的电热效应,因此我们可以通过调节外加应变来提高铁电材料的电热效应。
【关键词】：铁电材料 电热效应 应变 畴变 相场
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM221
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-20
• 1.1 引言10
• 1.2 铁电材料简介以及铁电电热制冷原理10-15
• 1.3 铁电材料电热效应的研究现状15-17
• 1.4 论文的研究目的和内容17-20
• 第2章 单畴铁电材料的电热效应20-28
• 2.1 引言20
• 2.2 电热效应的热力学理论20-24
• 2.3 机械边界、外加电场以及应变对BaTiO_3的电热效应的调控24-26
• 2.4 本章小结26-28
• 第3章 多畴铁电材料电热效应的应变调控28-41
• 3.1 引言28-29
• 3.2 多畴铁电体的计算方法及模型29-30
• 3.3 结果与讨论30-40
• 3.3.1 多畴铁电体畴结构随温度的变化30-34
• 3.3.2 多畴铁电体极化随温度的变化34-36
• 3.3.3 应变对多畴铁电体电热效应的调控36-40
• 3.4 本章小结40-41
• 第4章 室温下铁电纳米管电热效应的应变调控41-53
• 4.1 引言41-42
• 4.2 铁电纳米管计算方法及模型42-44
• 4.3 结果及讨论44-52
• 4.3.1 铁电纳米管极化随温度变化44-48
• 4.3.2 室温附近铁电纳米管的绝热温度变化48-51
• 4.3.3 铁电纳米管电热效应的应变调控51-52
• 4.4 本章小结52-53
• 第5章 铁电多晶体电热效应的应变调控53-66
• 5.1 引言53
• 5.2 铁电多晶体计算方法及模型53-57
• 5.3 结果与讨论57-65
• 5.3.1 铁电多晶体极化随温度变化57-60
• 5.3.2 铁电多晶体畴结构随温度的变化60-62
• 5.3.3 应变对铁电多晶体电热效应的调控62-65
• 5.4 本章小结65-66
• 第6章 总结与展望66-67
• 参考文献67-75
• 作者简历75

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本文编号：639564