電場作用下極性電介質(zhì)材料的電熱效應(yīng)研究.pdf

1、極性電介質(zhì)材料在電場作用下產(chǎn)生溫度和熵的變化被稱為電熱效應(yīng)（Electrocaloric effects，ECE）。在長達幾十年的時間里，極性電介質(zhì)材料只被發(fā)現(xiàn)了相對較小的電熱效應(yīng)，無法應(yīng)用于實際。最近，研究人員發(fā)現(xiàn)部分鐵電材料具有大電熱效應(yīng)，因此使得利用電介質(zhì)的電熱效應(yīng)設(shè)計制冷器成為一個研究熱點。與傳統(tǒng)的制冷技術(shù)相比，這種制冷技術(shù)具有無污染、制冷效率高的優(yōu)點，因而在現(xiàn)代制冷行業(yè)有巨大的應(yīng)用前景。
　　本文利用居里-外斯定律、朗道

2、相變理論和麥克斯韋關(guān)系式等推導(dǎo)出了極性電介質(zhì)電熱效應(yīng)的計算公式，計算出了順電態(tài)下和鐵電相變態(tài)經(jīng)歷相變狀態(tài)下的電介質(zhì)溫度變化、熵變化，并對比了兩種狀態(tài)下的電熱效應(yīng)的大小。從而為分析材料的最大溫度變化、最大熵變以及做功能力等提供理論依據(jù)。同時本文建立了極性電介質(zhì)材料在順電態(tài)、鐵電相變態(tài)的電熱效應(yīng)的熱力學(xué)理論模型。該理論表明只要工作溫度足夠接近居里溫度，電熱效應(yīng)基本都比較大，而且比順電態(tài)要大很多?；谶@一點，在某一工作環(huán)境下，只要找到一種居里

3、溫度非常接近這個工作溫度的電介質(zhì)，就能實現(xiàn)較大的電熱效應(yīng)。
　　典型熱力學(xué)循環(huán)的建立是研究電熱材料作為制冷器件進行能量轉(zhuǎn)化和做功能力的理論基礎(chǔ)，為此經(jīng)過選取居里溫度與室溫相近的極性較大的電介質(zhì)作為制冷材料加之設(shè)計工藝上的提升，是利用順電態(tài)下極性電介質(zhì)的電熱效應(yīng)制作出有一定應(yīng)用前景制冷器的有力保障。本文還驗證了極性電介質(zhì)在低于并接近于鐵電-順電相變居里溫度時具有的較大電熱效應(yīng)潛能，這是因為相變能夠引起電介質(zhì)材料的極性發(fā)生改變，而極性

4、的改變又能引起較大的熵變化。
　　最后本文建立了具有大電熱效應(yīng)和大變形的極性彈性電介質(zhì)熱力學(xué)理論。該理論表征了極性電介質(zhì)在受到機械力，電場和熱場耦合作用下的平衡條件。并通過考慮極性彈性電介質(zhì)熱力學(xué)系統(tǒng)的超彈性、極化、電致伸縮和熱貢獻的耦合影響，對其機械性能和大變形進行了分析。這為探尋一定工作溫度要求（比如室溫條件或其他有特殊要求的溫度）條件下的具有大電熱效應(yīng)的電介質(zhì)材料指明了方向；同時也能夠為基于極性電介質(zhì)電熱效應(yīng)的制冷器的設(shè)計制