【摘要】：鐵電薄膜絕熱條件下施加應(yīng)力場時,自身的溫度出現(xiàn)升高或者降低的現(xiàn)象分別稱為正彈卡效應(yīng)與負彈卡效應(yīng)。鐵電薄膜彈卡制冷具有高效節(jié)能、性能穩(wěn)定、環(huán)保等優(yōu)點,同時利用正負彈卡效應(yīng)會獲得更高的制冷效率,在電子器件溫度調(diào)節(jié)等固體制冷領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用潛力。但是目前鐵電薄膜彈卡效應(yīng)只在遠高于室溫且較小的溫度范圍具有大的溫度改變,不利于實際應(yīng)用。因此,如何使鐵電薄膜彈卡效應(yīng)具有室溫化及寬溫域化的效果,是鐵電薄膜彈卡效應(yīng)在固體制冷應(yīng)用中需要解決的兩個重要問題。本論文基于朗道-德文希爾鐵電相變理論,對鈦酸鉛薄膜彈卡效應(yīng)進行研究,構(gòu)建并修正了鈦酸鉛薄膜彈卡效應(yīng)熱力學(xué)特征函數(shù)及系數(shù)。通過對鈦酸鉛薄膜的極化分布與彈卡效應(yīng)進行模擬分析,總結(jié)出強化鈦酸鉛薄膜彈卡效應(yīng)制冷的調(diào)控機理。具體的研究內(nèi)容與結(jié)果如下:(1)構(gòu)建了鈦酸鉛薄膜彈卡效應(yīng)的熱力學(xué)模型并得到了不同條件下的極化分布。分析得出:鈦酸鉛薄膜彈卡效應(yīng)主要與垂直于平面的極化變化有關(guān);不同的應(yīng)力場作用下的極化分布也不同;外電場可增大應(yīng)力場作用下的極化,并且使極化分布的溫度范圍增大,有利于彈卡效應(yīng)在較寬的溫度范圍發(fā)揮作用;壓縮失配應(yīng)變增大極化且使居里溫度向高溫方向移動,拉伸失配應(yīng)變減小極化使距離溫度向低溫方向移動。(2)根據(jù)構(gòu)建的鈦酸鉛薄膜彈卡效應(yīng)模型,分析了應(yīng)力場、不同失配應(yīng)變及電場對彈卡效應(yīng)影響。拉伸應(yīng)力場產(chǎn)生正彈卡效應(yīng),壓縮應(yīng)力場產(chǎn)生負彈卡效應(yīng)同時還使得溫度改變的峰值偏向室溫方向。各向同性拉伸失配應(yīng)變增強負彈卡效應(yīng),大小為0.001的拉伸失配應(yīng)變使負彈卡效應(yīng)溫度改變的峰值增大2.3 K,室溫附近的溫度改變增大約1.2 K,同時峰值所在溫度向室溫方向偏移了約55 K;壓縮失配應(yīng)變對正彈卡效應(yīng)有一定的促進作用。電場增強正彈卡效應(yīng),當(dāng)施加電場為400 kV/cm時,正彈卡效應(yīng)溫度改變的峰值增大約8 K,電場抑制負彈卡效應(yīng),施加同樣電場時,溫度改變的峰值由負值變?yōu)檎怠Ｍㄟ^耦合電場與應(yīng)力場,并經(jīng)過失配應(yīng)變調(diào)控后,同時利用鈦酸鉛薄膜的正負彈卡效應(yīng)可以獲得大的溫度改變峰值,并且室溫附近的溫度改變可以達到13.8 K,對于鈦酸鉛薄膜彈卡效應(yīng)在固體制冷上的應(yīng)用很有指導(dǎo)意義。
【學(xué)位授予單位】：湘潭大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TM221;TB383.2
【圖文】：

水平的迅速發(fā)展與社會的不斷進步，制冷技術(shù)及設(shè)備單的利用空氣流動帶走熱量的氣體制冷技術(shù)，到廣泛等產(chǎn)品的液體制冷技術(shù)等，為人們?nèi)粘Ｉ顜砹耸嫜刑峁┝死鋮s保障。但為適應(yīng)社會的綠色和諧發(fā)展，格。傳統(tǒng)的常用冷卻技術(shù)因使用氟利昂等制冷劑會造球溫室效應(yīng)加劇等嚴峻環(huán)境問題，另外，隨著信息技術(shù)成度要求越來越高，電子集成器件的散熱問題就愈發(fā)問題主要是由于熱效應(yīng)所致，由熱失效導(dǎo)致的電子器半以上。一般情況下，電子產(chǎn)品溫度每升高十度，溫度控制已成為電子信息工業(yè)發(fā)展的制約因素之一。面是需要研發(fā)安全環(huán)保的新型制冷劑以減少人類生存研究表明，世界上制冷劑單質(zhì)已經(jīng)基本全部被發(fā)掘出環(huán)境友好、制冷效率高的制冷原理及工藝，在新近發(fā)制冷技術(shù)無需使用氟利昂等制冷劑而環(huán)保，并且制冷較好的滿足上述制冷技術(shù)的發(fā)展需求。

發(fā)現(xiàn)了材料的氣壓效應(yīng)、彈卡效應(yīng)和電卡效應(yīng)等。磁制冷冷是一種基于磁熱效應(yīng)的制冷技術(shù)。磁熱效應(yīng)是指磁的外磁場強度發(fā)生變化使自發(fā)磁化強度發(fā)生改變而伴如圖 1.2 所示，熱量循環(huán)過程：在絕熱條件下，未加入處于無序狀態(tài)此時系統(tǒng)有較大的熵，加入外磁場時，序)，使熵降低，在絕熱條件下去除磁場，由于絕熱去便產(chǎn)生致冷效應(yīng)。Gschneidner，F(xiàn)ranco 等對磁熱效應(yīng)的研究[4-5]。冷以固體材料為介質(zhì)，消除了因使用氟利昂等制冷劑高效節(jié)能，穩(wěn)定可靠，可大幅降低產(chǎn)生的機械振動帶壽命長等優(yōu)勢。但是目前絕熱去磁制冷仍然存在一些磁場，而制造產(chǎn)生大磁場的設(shè)備技術(shù)要求高導(dǎo)致設(shè)備度限制了絕熱去磁制冷的應(yīng)用范圍；三是因制造強磁

圖1.3 顯示半導(dǎo)體熱電制冷原理示意圖。基于“帕爾貼效應(yīng)”的半導(dǎo)體固體制冷是通過多層半導(dǎo)體制冷片疊加組成器件實現(xiàn)制冷，只需要控制電流及半導(dǎo)體材料就可以控制制冷效果，其優(yōu)點在于無運動部件、無噪音、易于控制、少疲勞而使用壽命長等優(yōu)點，可應(yīng)用于軍事上的紅外探測、醫(yī)療上細菌培養(yǎng)箱的控溫、科研實驗用的冷藏等多方面。但是半導(dǎo)體制冷溫差較小和制冷系數(shù)不高，導(dǎo)致其制冷效率較低。圖 1.3 半導(dǎo)體制冷單元制冷原理示意圖[9]1.2.3 電卡制冷電卡制冷是基于電卡效應(yīng)進行絕熱去極化的一種制冷技術(shù)。通過對絕熱條件下的鐵電材料施加或改變外電場來改變其極化狀態(tài)，由材料的電卡效應(yīng)而引起溫度改變達到制冷目的。在絕熱條件下，當(dāng)材料處于極化無序狀態(tài)時的熵較大，施加或改變外加電場，極化分布在外電場作用下轉(zhuǎn)變?yōu)橛行驊B(tài)而使材料的熵減小。在系統(tǒng)與外界環(huán)境沒有熱交換的絕熱條件下，而極化狀態(tài)的有序化使得材料自身溫度升高而放出熱量。當(dāng)撤去外電場，使材料從極化有序態(tài)變化為無序態(tài)，引起溫度降低，材料吸收熱量，從而達到制冷目的[13,16]。原理過程如圖 1.4 所示。電卡制冷原理與絕熱去磁制冷原理相似。電卡制冷擁有與絕熱去磁制冷同樣環(huán)保無污染、微型化、高效節(jié)能、性能穩(wěn)定等優(yōu)點，因此電卡制冷的在固體制冷上的研究也受到廣泛關(guān)注，在鐵電材料中發(fā)現(xiàn)大的電卡效應(yīng)后，電卡效應(yīng)的調(diào)控

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本文編號：2803390