Электрокалорический эффект
Изменение температуры материала под действием электрического поля

Электрокалорический эффект — это явление, при котором материал демонстрирует обратимое изменение температуры под действием приложенного электрического поля.

Введение

Электрокалорический эффект (ЭКЭ) — это явление, наблюдаемое в диэлектрических материалах, где обратимое изменение температуры/ энтропии происходит из-за выравнивания и переупорядочения диполей под действием приложенного электрического поля. При приложении электрического поля диполи внутри диэлектрического материала выравниваются, что приводит к уменьшению дипольной энтропии и выделению тепла, что приводит к повышению температуры. [1] И наоборот, при снятии электрического поля диполи возвращаются в более неупорядоченное состояние, заставляя материал поглощать тепло из окружающей среды, что приводит к снижению температуры. Этот эффект изучается для использования в твердотельных охлаждающих приложениях, особенно в областях, где традиционные методы охлаждения могут быть менее эффективными или непрактичными, например, в портативных устройствах, микроэлектронике и распределенном тепловом управлении . [2]

Электрокалорический эффект часто считается физическим обратным пироэлектрическому эффекту. Электрокалорический эффект не следует путать с термоэлектрическим эффектом (в частности, с эффектом Пельтье ), при котором разность температур возникает при прохождении тока через электрический спай с двумя разнородными проводниками.

Историческая справка

До 2006 года наблюдаемый электрокалорический эффект (ЭКЭ) был относительно небольшим, обычно вызывая изменение температуры примерно на 2,5 К при температурах выше 200 °C и примерно на 2 К при комнатной температуре. Танталат свинца-скандия (PST) [3] был изучен в 1989 году и показал изменение температуры на 2,5 К.

Прорывные открытия

В 2006 году исследователи обнаружили гигантский электрокалорический эффект в 350 нм тонкой пленке PbZr₀.₉₅Ti₀.₀₅O₃ (PZT), создающий заметное изменение температуры на 12 К около 220 ° C. [4] Структура устройства состояла из тонкой пленки (PZT) поверх гораздо более толстой подложки, но цифра 12 К представляет собой охлаждение только тонкой пленки. Чистое охлаждение такого устройства будет ниже 12 К из-за теплоемкости подложки, к которой оно прикреплено. Этот эффект, особенно сильный вблизи фазовых переходов, таких как температура Кюри , намного превзошел предыдущие результаты в объемных материалах. Исследование выявило потенциал тонких пленок для твердотельного охлаждения и предположило, что дальнейшие улучшения материала могут улучшить практическое применение.

В 2008 году исследователи обнаружили гигантский электрокалорический эффект в сегнетоэлектрических полимерах вблизи комнатной температуры. [5] Сополимер поли(винилиденфторида-трифторэтилена) [P(VDF-TrFE)] продемонстрировал адиабатическое изменение температуры более 12°C и изменение энтропии, превышающее 55 Дж/кгК вблизи сегнетоэлектрического-параэлектрического перехода при ~70°C. Включение хлорфторэтилена (CFE) в сополимер впервые достигло гигантского ECE при комнатной температуре и продемонстрировало потенциал применения ECE в охлаждающих приложениях повседневной жизни. Электрокалорические терполимеры P(VDF-TrFE-CFE) были коммерциализированы и доступны в Arkema . Большой ECE коммерческих полимеров EC позволил провести всемирные НИОКР-исследования в области технологий охлаждения EC.

Последние события

Исследование 2019 года продемонстрировало значительные электрокалорические эффекты в многослойных конденсаторах (MLC) из керамики свинцово-скандиевого танталата (PST). [6] Эти материалы достигли изменения температуры до 5,5 К вблизи комнатной температуры. Исследование подчеркивает потенциал PST MLC для эффективных и компактных систем охлаждения, предлагая альтернативу магнитокалорическим системам.

Для охлаждающих устройств EC приложенные электрические поля к материалам EC в устройствах должны быть намного ниже, чем поле пробоя диэлектрика для надежной работы устройства EC при создании высокого ECE. В целом, приложенное поле должно быть менее 25% от пробоя диэлектрика. Чтобы решить эту проблему, в 2021 году исследователи разработали высокоэнтропийный полимер, который достиг изменения температуры EC на 7,5 К при изменении температуры в слабом электрическом поле 50 МВ/м. [7] Модифицировав терполимер P(VDF-TrFE-CFE) двойными связями, они повысили дипольную энтропию и снизили энергетический барьер для фазовых переходов. Этот класс полимеров также продемонстрировал превосходную долговечность, сохраняя производительность более миллиона циклов.

В 2023 году исследователи разработали новый сегнетоэлектрический полимер с порами субнанометрового масштаба, созданный путем введения и испарения диметилгександиола (DMHD). [8] Этот процесс значительно усилил электрокалорический эффект (ECE), достигнув изменения температуры более чем на 20 К в слабом электрическом поле. Исследование подчеркивает потенциал интерфейсной инженерии в электрокалорических материалах, предлагая перспективные приложения в энергоэффективном твердотельном охлаждении.

Исследования электрокалорических охлаждающих устройств

Электрокалорические (EC) устройства используют электрокалорический эффект, при котором электрическое поле вызывает обратимое изменение температуры в материале. Циклы охлаждения EC, похожие на традиционное охлаждение, но без вредных хладагентов, включают фазы нагрева и охлаждения, управляемые электрическими полями. Эти циклы энергоэффективны и экологически безопасны, что делает EC устройства идеальными для портативного, локализованного и распределенного охлаждения. [9] [10]

Эффект EC заключается в изменении температуры в диэлектрическом материале при приложении или удалении электрического поля, что делает его пригодным для компактных охлаждающих решений. В 2013 году была продемонстрирована система охлаждения твердотельных тел в масштабе чипа, использующая полимерные пленки EC, достигающая температурного диапазона 6 К, близкого к комнатной температуре, с помощью прототипа устройства EC Oscillatory Refrigeration (ECOR). [11]

В 2015 году было разработано малогабаритное электрокалорическое (EC) охлаждающее устройство с использованием объемной релаксорной сегнетоэлектрической керамики, а именно [Pb(Mg 1/3 Nb 2/3 )O 3 ] 0,9 [PbTiO 3 ] 0,1 (PMN-10PT), в качестве активного материала в активном электрокалорическом регенераторе (AER). [12] Устройство достигло значительного температурного диапазона по всему регенератору за счет использования системы потока жидкости и контролируемого электрического поля. Экспериментальные результаты продемонстрировали температурный диапазон до 3,3 К при приложенном электрическом поле 50 кВ/см. Более того, моделирование показало, что при оптимизации конструкции, такой как использование деионизированной воды в качестве регенераторной жидкости и увеличение длины регенератора, потенциально может быть достигнут температурный диапазон до 14 К.

Большинство калорических охлаждающих устройств полагаются на регенеративные циклы для достижения большего температурного диапазона, чем адиабатическое изменение температуры калорических материалов. Однако использование внешних регенераторов может снизить общую эффективность этих устройств. В 2017 году исследователи продемонстрировали регенеративное электрокалорическое охлаждающее устройство, которое работает без внешних регенераторов. [13] Устройство использовало коммерческие многослойные керамические элементы. Под действием электрического поля 16,6 МВ/м эти элементы достигли температурного диапазона 0,9 К.

В том же 2017 году исследователи разработали компактное и гибкое электрокалорическое охлаждающее устройство, интегрировав полимерную пленку EC с электростатическим приводом. [14] Это устройство продемонстрировало коэффициент полезного действия (COP) 13 и удельную мощность охлаждения 2,8 Вт/г. Исследование подчеркивает потенциал технологий EC-охлаждения для компактных и эффективных охлаждающих приложений, особенно в носимых и портативных устройствах.

В 2018 году исследователи из Исследовательского центра объединенных технологий (UTRC) продемонстрировали электрокалорический тепловой насос с прямым воздушным охлаждением, использующий инновации прямого воздушного охлаждения с использованием полимерных пленок EC и инженерных разработок, которые значительно повысили эффективность охлаждения и производительность устройств EC. [15]

В 2020 году исследователи продемонстрировали активный EC-регенератор, в котором инновация включала конструкцию с параллельными пластинами, использующую многослойные конденсаторы из свинцово-скандиевого танталата (PST), оптимизированные с помощью моделирования конечных элементов для улучшения изоляции и теплопередачи. [16] Прототип достиг температурного диапазона 13 К, что демонстрирует потенциал EC-материалов для высокоэффективных систем охлаждения.

Исследование электрокалорических устройств, проведенное в 2020 году, позволило добиться значительных успехов в совершенствовании конструкции и производительности полностью твердотельных систем охлаждения. [17] В исследовании была представлена ​​масштабируемая высокопроизводительная система охлаждения EC на основе многослойных керамических конденсаторов PST (MLCC). Используя модульную самовосстанавливающуюся архитектуру и улучшая как свойства материалов, так и конструкцию устройства, система достигла температурного диапазона 5,2 °C и максимального теплового потока 135 мВт/см².

Значительным достижением 2020 года является разработка каскадного электрокалорического устройства, которое увеличивает температурный диапазон за счет интеграции нескольких полимерных элементов EC, работающих в синергии. [18] Это устройство достигло температурного диапазона 8,7 К в условиях отсутствия нагрузки. Устройство также достигает коэффициента полезного действия (КПД) 9,0 при подъеме температуры 2,7 К и 10,4 при нулевом подъеме температуры.

В 2023 году исследователи разработали EC-устройство с использованием многослойных конденсаторов PST, которое достигло максимального температурного диапазона 20,9 К в условиях холостого хода и мощности охлаждения 4,2 Вт в умеренном электрическом поле. [19] С коэффициентом полезного действия (COP), достигающим до 64% ​​от эффективности Карно с учетом рекуперации энергии, эта конструкция знаменует собой значительный шаг на пути к тому, чтобы сделать технологию EC жизнеспособной альтернативой традиционным системам охлаждения с компрессией пара.

Интегрируя гибкие органические фотоэлектрические модули с полимерными модулями EC, исследование 2023 года продемонстрировало эффективную и самоподдерживающуюся носимую систему, способную регулировать температуру тела, используя только солнечный свет. [20] Устройства EC на основе полимера EC P(VDF-TrFE-CFE) обеспечивают высокую эффективность, низкое потребление энергии и двунаправленную терморегуляцию, что делает их пригодными для носимых приложений. Эти инновации прокладывают путь для практичных круглосуточных терморегулирующих решений в сложных условиях, таких как полярные регионы или космические путешествия.

В 2023 и 2024 годах исследователи разработали автоколебательные полимерные холодильники [21] [22] , которые сочетают электрокалорический и электрострикционный эффекты. Эти устройства, не имеющие дополнительных принадлежностей, демонстрируют высокую плотность мощности охлаждения более 6,5 Вт/г и пиковый коэффициент производительности (КПД), превышающий 58. Эти достижения подчеркивают потенциал технологии ЕС для предоставления эффективных, локализованных решений по управлению температурой без необходимости использования внешних приводов.

Ссылки

  1. ^ Valant, Matjaz (июль 2012 г.). «Электрокалорические материалы для будущих технологий твердотельного охлаждения». Progress in Materials Science . 57 (6): 980–1009. doi :10.1016/j.pmatsci.2012.02.001.
  2. ^ Ши, Джунье; Хан, Дунлин; Ли, Цзычао; Ян, Лу; Лу, Шэн-Го; Чжун, Чжифэн; Чен, Цзянпин; Чжан, КМ; Цянь, Сяоши (май 2019 г.). «Электрокалорические охлаждающие материалы и устройства для высокоэффективного охлаждения с нулевым потенциалом глобального потепления». Джоуль . 3 (5): 1200–1225. Бибкод : 2019Джоуль...3,1200С. дои : 10.1016/j.joule.2019.03.021.
  3. ^ Синявский, Ю.В.; Пашков, Н.Д.; Горовой, Ю.М.; Луганский, Г.Е.; Шебанов, Л. (февраль 1989). «Оптическая сегнетоэлектрическая керамика как рабочее тело для электрокалорического охлаждения». Сегнетоэлектрики . 90 (1): 213–217. Bibcode :1989Fer....90..213S. doi :10.1080/00150198908211296. ISSN  0015-0193.
  4. ^ AS Mischenko; et al. (март 2006). "Гигантский электрокалорический эффект в тонкой пленке PbZr0.95Ti0.05O3". Science . 311 (5765): 1270–1271. arXiv : cond-mat/0511487 . Bibcode :2006Sci...311.1270M. doi :10.1126/science.1123811. PMID  16513978. S2CID  10153472.
  5. ^ Neese, B.; Chu, B.; Lu, S. -G.; Wang, Y.; Furman, E.; Zhang, QM (2008). «Большой электрокалорический эффект в сегнетоэлектрических полимерах при температуре, близкой к комнатной». Science . 321 (5890): 821–823. Bibcode :2008Sci...321..821N. doi :10.1126/science.1159655. PMID  18687960. S2CID  206513719. , альтернативная веб-ссылка.
  6. ^ Nair, B.; Usui, T.; Crossley, S.; Kurdi, S.; Guzmán-Verri, GG; Moya, X.; Hirose, S.; Mathur, ND (2019-11-21). «Большие электрокалорические эффекты в оксидных многослойных конденсаторах в широком диапазоне температур». Nature . 575 (7783): 468–472. Bibcode :2019Natur.575..468N. doi :10.1038/s41586-019-1634-0. ISSN  0028-0836. PMID  31597164.
  7. ^ Цянь, Сяоши; Хан, Дунлин; Чжэн, Лижун; Чен, Цзе; Тьяги, Мадхусудан; Ли, Цян; Ду, Фейхун; Чжэн, Шаньюй; Хуан, Синъи; Чжан, Шихай; Ши, Джунье; Хуанг, Хубинг; Ши, Сяомин; Чен, Цзянпин; Цинь, Ханьчэн (23 декабря 2021 г.). «Высокоэнтропийный полимер производит гигантский электрокалорический эффект в слабых полях». Природа . 600 (7890): 664–669. Бибкод : 2021Natur.600..664Q. дои : 10.1038/s41586-021-04189-5. ISSN  0028-0836. ПМИД  34937898.
  8. ^ Чжэн, Шаньюй; Ду, Фейхун; Чжэн, Лижун; Хан, Дунлин; Ли, Цян; Ши, Джунье; Чен, Цзянпин; Ши, Сяомин; Хуанг, Хубинг; Ло, Яорун; Ян, Юронг; О'Рейли, Падрайк; Вэй, Линлин; де Соуза, Николя; Хун, Лян (декабрь 2023 г.). «Колоссальный электрокалорический эффект в сегнетоэлектрическом полимере с расширенной границей раздела». Наука . 382 (6674): 1020–1026. Бибкод : 2023Sci...382.1020Z. дои : 10.1126/science.adi7812. ISSN  0036-8075. ПМИД  38033074.
  9. ^ Фэрли, Питер (14 сентября 2017 г.). «Твердотельный холодильник в вашем кармане». IEEE Spectrum . Получено 15 сентября 2017 г.
  10. ^ "ElKaWe – Электрокалорические тепловые насосы". Fraunhofer-Gesellschaft . Получено 2023-07-22 .
  11. ^ Гу, Хаймин; Цянь, Сяоши; Ли, Синьюй; Крейвен, Брент; Чжу, Вэньи; Чэн, Айлань; Яо, SC; Чжан, QM (2013-03-25). "Устройство охлаждения на основе электрокалорического эффекта в масштабе микросхемы". Applied Physics Letters . 102 (12). Bibcode : 2013ApPhL.102l2904G. doi : 10.1063/1.4799283. ISSN  0003-6951.
  12. ^ Плазник, Урош; Китановский, Андрей; Рожич, Бригита; Малич, Барбара; Уршич, Хана; Дрновшек, Сильво; Чиленшек, Йена; Врабель, Марко; Поредош, Алоиз; Кутняк, Здравко (26 января 2015 г.). «Объемная релаксорная сегнетоэлектрическая керамика как рабочее тело устройства электрокалорического охлаждения». Письма по прикладной физике . 106 (4): 043903. Бибкод : 2015ApPhL.106d3903P. дои : 10.1063/1.4907258. ISSN  0003-6951.
  13. ^ Чжан, Тянь; Цянь, Сяо-Ши; Гу, Хаймин; Хоу, Ин; Чжан, QM (2017-06-12). "Электрокалорический холодильник с прямой регенерацией твердого тела в твердое". Applied Physics Letters . 110 (24). Bibcode : 2017ApPhL.110x3503Z. doi : 10.1063/1.4986508. ISSN  0003-6951.
  14. ^ Ma, Rujun; Zhang, Ziyang; Tong, Kwing; Huber, David; Kornbluh, Roy; Ju, Yongho Sungtaek; Pei, Qibing (2017-09-15). «Высокоэффективное электрокалорическое охлаждение с электростатическим приводом». Science . 357 (6356): 1130–1134. Bibcode :2017Sci...357.1130M. doi :10.1126/science.aan5980. ISSN  0036-8075. PMID  28912240.
  15. ^ Аннапрагада, С. Рави; Верма, Пармеш; Сур, Аритра; Се, Вэй (2018-02-23). ​​Высокоэффективный твердотельный тепловой насосный модуль (отчет). Управление научной и технической информации (OSTI). doi :10.2172/1456857.
  16. ^ Торелло, А.; Леритье, П.; Усуи, Т.; Нучокгве, Ю.; Жерар, М.; Бутон, О.; Хиросе, С.; Дефай, Э. (02 октября 2020 г.). «Гигантский температурный диапазон в электрокалорическом регенераторе». Наука . 370 (6512): 125–129. Бибкод : 2020Sci...370..125T. doi : 10.1126/science.abb8045. ISSN  0036-8075. ПМИД  33004522.
  17. ^ Ван, Юнда; Чжан, Цзыян; Усуи, Томоясу; Бенедикт, Майкл; Хиросе, Сакио; Ли, Джозеф; Калб, Джейми; Шварц, Дэвид (2020-10-02). «Высокопроизводительная твердотельная электрокалорическая система охлаждения». Science . 370 (6512): 129–133. Bibcode :2020Sci...370..129W. doi :10.1126/science.aba2648. ISSN  0036-8075. PMID  33004523.
  18. ^ Мэн, Юань; Чжан, Цзыян; У, Ханьсян; Ву, Жуйи; Ву, Цзянхань; Ван, Хаолун; Пей, Цибин (26 октября 2020 г.). «Каскадное электрокалорическое охлаждающее устройство для большого подъема температуры». Энергия природы . 5 (12): 996–1002. Бибкод : 2020NatEn...5..996M. дои : 10.1038/s41560-020-00715-3. ISSN  2058-7546.
  19. ^ Ли, Джуннинг; Торелло, Альвар; Ковакова, Вероника; Прах, Урос; Аравиндхан, Ашват; Гранцов, Торстен; Усуи, Томоясу; Хиросе, Сакё; Дефай, Эммануэль (17 ноября 2023 г.). «Высокая эффективность охлаждения в двухконтурном электрокалорическом тепловом насосе». Наука . 382 (6672): 801–805. Бибкод : 2023Sci...382..801L. дои : 10.1126/science.adi5477. hdl : 2117/398413. ISSN  0036-8075. ПМИД  37972174.
  20. ^ Ван, Цзыюань; Бо, Йивэнь; Бай, Пейцзя; Чжан, Шучао; Ли, Гуанхуэй; Ван, Сянцзянь; Лю, Юншэн; Ма, Руджун; Чен, Юншэн (15 декабря 2023 г.). «Самоподдерживающаяся личная терморегулирующая одежда в течение всего дня, использующая только солнечный свет». Наука . 382 (6676): 1291–1296. Бибкод : 2023Sci...382.1291W. doi : 10.1126/science.adj3654. ISSN  0036-8075. ПМИД  38096305.
  21. ^ Чэнь, Синь; Чжу, Вэньи; Раттнер, Александр С; Чжан, КМ (2023-03-22). «Конструкция самоприводного электрокалорического полимерного теплового насоса, использующая синергию электрокалорического эффекта и электрострикции». Журнал физики: Энергия . 5 (2): 024009. Bibcode : 2023JPEn....5b4009C. doi : 10.1088/2515-7655/acc278. ISSN  2515-7655.
  22. ^ Хан, Дунлин; Чжан, Инцзин; Хуан, Ценлин; Чжэн, Шаньюй; У, Дунъюань; Ли, Цян; Ду, Фейхун; Дуань, Хунсяо; Чен, Вэйлинь; Ши, Джунье; Чен, Цзянпин; Лю, Банда; Чен, Синь; Цянь, Сяоши (30 мая 2024 г.). «Автоколебательный полимерный холодильник с высокой энергоэффективностью». Природа . 629 (8014): 1041–1046. Бибкод : 2024Natur.629.1041H. дои : 10.1038/s41586-024-07375-3. ISSN  0028-0836. ПМИД  38720078.

Дальнейшее чтение

Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Электрокалорический_эффект&oldid=1253039365"