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在现今能源消费的(de)结构中，制冷和空调(diao)的(de)能源消耗占了总能源消耗的(de)20%，降低能耗始(shi)终是(shi)制冷行业不懈(xie)追(zhui)求(qiu)的(de)方向(xiang)。寻找(zhao)到(dao)可以取代压缩蒸汽制冷的(de)(de)新型制(zhi)冷技术是(shi)解决制(zhi)冷环境污染问题的(de)(de)一(yi)个行之有(you)效的(de)(de)方(fang)案，在众(zhong)多的(de)(de)方(fang)案中，有(you)一(yi)种(zhong)利用材料的(de)(de)电热效应进(jin)行的制(zhi)(zhi)(zhi)冷(leng)技术(shu)(shu)，这种电(dian)热效(xiao)应制(zhi)(zhi)(zhi)冷(leng)技术(shu)(shu)属于固(gu)(gu)态(tai)制(zhi)(zhi)(zhi)冷(leng)的一种。和压(ya)缩(suo)蒸汽制(zhi)(zhi)(zhi)冷(leng)技术(shu)(shu)相比，电(dian)热制(zhi)(zhi)(zhi)冷(leng)具有以(yi)下(xia)潜力：（1）提(ti)高能源效(xiao)率；（2）采(cai)用没(mei)(mei)有直接(jie)臭氧(yang)耗竭潜力(ODP)和没(mei)(mei)有全球变暖潜力(GWP)的固(gu)(gu)态(tai)材料，减少对(dui)环境(jing)的影响；（3）制(zhi)(zhi)(zhi)冷(leng)部(bu)件更加(jia)紧(jin)凑，有效(xiao)地降低了声音(yin)污染。

什(shen)么是电热制冷？

电热制冷是利用铁电(dian)体的电(dian)热效应(ying)进行(xing)制冷(leng)的(de)(de)(de)一种(zhong)固体(ti)制冷(leng)技(ji)术，当电(dian)(dian)(dian)场作用于电(dian)(dian)(dian)介(jie)质(zhi)时，电(dian)(dian)(dian)介(jie)质(zhi)内部的(de)(de)(de)偶极(ji)子(zi)由无序的(de)(de)(de)状(zhuang)态变为有(you)序，熵(shang)降低，其他部分的(de)(de)(de)熵(shang)便(bian)会(hui)(hui)(hui)增(zeng)大以弥补(bu)极(ji)化(hua)熵(shang)的(de)(de)(de)减小，电(dian)(dian)(dian)介(jie)质(zhi)的(de)(de)(de)温(wen)度会(hui)(hui)(hui)升高；当电(dian)(dian)(dian)场撤去时，电(dian)(dian)(dian)介(jie)质(zhi)内部会(hui)(hui)(hui)产生退极(ji)化(hua)现象，介(jie)质(zhi)的(de)(de)(de)极(ji)化(hua)熵(shang)增(zeng)加，电(dian)(dian)(dian)介(jie)质(zhi)的(de)(de)(de)温(wen)度会(hui)(hui)(hui)降低，这(zhei)就(jiu)是电(dian)(dian)(dian)热(re)制冷(leng)的(de)(de)(de)基础。

电热制(zhi)冷的(de)原(yuan)理与(yu)压(ya)缩蒸汽制(zhi)冷技术相似，即根据逆卡(ka)诺循环(huan)，工质(zhi)（电热材料）将热量从热源传递(di)到周(zhou)围环(huan)境中。一个(ge)电热效电热制(zhi)冷的(de)运行过(guo)程可以对(dui)应压(ya)缩蒸气制(zhi)冷循环(huan)的(de)四个(ge)步骤，即压(ya)缩机的(de)绝热压(ya)缩过(guo)程、冷凝器(qi)的(de)定压(ya)放热过(guo)程、膨胀机的(de)绝热膨胀过(guo)程和蒸发(fa)器(qi)的(de)定压(ya)吸热过(guo)程。

铁电材料电热制(zhi)冷原(yuan)理

在电热材(cai)料(liao)的研究(jiu)过(guo)程中，根据(ju)材(cai)料(liao)制作工艺(yi)和成(cheng)分的不同(tong)，将电热材(cai)料(liao)分为(wei)块体材(cai)料、薄(bo)膜材(cai)料和高分子聚合(he)物薄(bo)膜几个方(fang)面。 块体(ti)材料主(zhu)要有陶瓷(ci)（厚度＞100μｍ）、单晶和厚(hou)膜（厚(hou)度(du)在10μｍ左右），薄(bo)膜材(cai)料主要有锆钛酸铅(Pb(ZrTi)O₃)等含铅(qian)铁电(dian)薄(bo)膜(mo)及钛酸钡(bei)基无铅(qian)铁电(dian)薄(bo)膜(mo)（厚度＜1μｍ），高(gao)分(fen)子材料的研究(jiu)主要(yao)围绕着(zhe)聚偏二(er)氟乙烯(PVDF)及其共聚物。

以下主(zhu)要介绍铁电陶瓷在电热制(zhi)冷领域(yu)的应用(yong)。

铁电(dian)陶瓷(ci)应用于电(dian)热(re)制冷

铁电(dian)(dian)(dian)陶(tao)瓷(ci)是具(ju)(ju)有(you)铁电(dian)(dian)(dian)性的(de)陶(tao)瓷(ci)材料(liao)，在低于居里温度(du)时具(ju)(ju)有(you)自(zi)发极(ji)化性能(neng)(neng)。陶(tao)瓷(ci)中具(ju)(ju)有(you)许多电(dian)(dian)(dian)畴(chou)，铁电(dian)(dian)(dian)陶(tao)瓷(ci)的(de)重要特征是其(qi)极(ji)化强度(du)与施(shi)加(jia)电(dian)(dian)(dian)压(ya)不(bu)成(cheng)线(xian)性关系，具(ju)(ju)有(you)明显(xian)的(de)滞后效应(ying)。由于这类陶(tao)瓷(ci)的(de)电(dian)(dian)(dian)性能(neng)(neng)在物(wu)理上与铁磁(ci)(ci)材料(liao)的(de)磁(ci)(ci)性能(neng)(neng)相似，因而(er)称为铁电(dian)(dian)(dian)陶(tao)瓷(ci)，不(bu)一定(ding)以铁作为其(qi)主要成(cheng)分(fen)。

常见的铁(tie)电陶瓷(ci)多(duo)属钙钛(tai)矿型(xing)结构，如(ru)钛酸(suan)钡陶瓷(ci)及其固溶(rong)体，也有钨青铜型、含铋层状化合(he)物和(he)(he)烧绿石型等(deng)结(jie)构(gou)。目前通过固溶(rong)、离(li)子代换和(he)(he)掺杂(za)改性等(deng)获得(de)实用(yong)(yong)的铁电氧化物陶瓷(ci)已(yi)达千(qian)种以上，可用(yong)(yong)于产(chan)生电容、压电、热(re)敏、电致伸缩、电声、电光等(deng)效应，作为传(chuan)感、驱(qu)动、存储、调(diao)制(zhi)等(deng)器件的材料。

铁电材料的分类及常见钙(gai)钛矿结构

对陶瓷电热效应的(de)(de)探(tan)索历程中(zhong)，以(yi)锆钛酸铅为(wei)主(zhu)含铅压电陶瓷的(de)(de)性能为(wei)最佳，但(dan)是其较(jiao)高(gao)的(de)(de)铅含量在(zai)生产和(he)使用的(de)(de)过(guo)程中(zhong)对环境造成了严重的(de)(de)铅污染，为(wei)了环境保护(hu)人(ren)们期望开发出无铅压(ya)电材料。无铅压(ya)电陶瓷主要有以下几个体系：BaTiO₃基(ji)无(wu)铅压(ya)电陶瓷(ci)、BNT基(ji)无(wu)铅压(ya)电陶瓷(ci)、铌酸(suan)盐(yan)基(ji)无(wu)铅压(ya)电陶瓷(ci)、铋层(ceng)状物结(jie)构无(wu)铅压(ya)电陶瓷(ci)。

其中BaTiO₃基无铅(qian)压电陶瓷的(de)研究开始的(de)最早，相较于其他无铅(qian)压电陶瓷，BaTiO₃基(ji)无(wu)铅(qian)压电陶瓷的(de)居里温度较(jiao)(jiao)低，且较(jiao)(jiao)容易通过化学改性的(de)方法改变陶瓷的(de)相变温度从而得(de)到(dao)在室(shi)温附(fu)近较(jiao)(jiao)大的(de)电热效应。

BaTiO₃出色(se)的介(jie)电(dian)和铁电(dian)性(xing)能(neng)(neng)被开发用于多种电(dian)子器件，如电(dian)容、热敏(min)电(dian)阻、传感器和微电(dian)子领域的非(fei)易(yi)失存储器，这些性(xing)能(neng)(neng)深受一(yi)些参数的影响(xiang)，如晶粒大小、密度、杂质(zhi)和结(jie)构缺陷。BaTiO₃掺Zr、Hf、Ce、Y和Sn等可(ke)以提高介电(dian)(dian)(dian)性(xing)能，显示(shi)出非常(chang)(chang)高的介电(dian)(dian)(dian)常(chang)(chang)数、压电(dian)(dian)(dian)和热(re)释电(dian)(dian)(dian)常(chang)(chang)数以及宏观(guan)上(shang)较(jiao)弱的滞后曲线。同时钛酸钡基固溶(rong)体是环境友好型介质，并且(qie)具有类似铅基电(dian)(dian)(dian)子陶瓷(ci)的性(xing)能，作为电(dian)(dian)(dian)热(re)制冷基础材(cai)料(liao)有着极(ji)大的应用潜力。

BaTiO₃陶瓷(ci)材料

关于BaTiO₃基无铅(qian)压电陶瓷粉(fen)体制备(bei)及(ji)其(qi)改(gai)性(xing)方法，可详见(jian)以下文(wen)章：

总(zong)结(jie)

与(yu)传统制(zhi)(zhi)(zhi)冷(leng)(leng)相比，电(dian)热制(zhi)(zhi)(zhi)冷(leng)(leng)技(ji)术在(zai)小(xiao)负荷下的(de)(de)(de)局部制(zhi)(zhi)(zhi)冷(leng)(leng)场合具(ju)有(you)独特的(de)(de)(de)优(you)势，如(ru)电(dian)子器件(jian)的(de)(de)(de)制(zhi)(zhi)(zhi)冷(leng)(leng)和封装。铁电(dian)材(cai)(cai)料(liao)(liao)在(zai)绝(jue)热去极化(hua)时温(wen)度降低(di)，因(yin)此利用其(qi)电(dian)热效应(ying)研制(zhi)(zhi)(zhi)新型制(zhi)(zhi)(zhi)冷(leng)(leng)器便引起广泛关注，相比于其(qi)它类型的(de)(de)(de)材(cai)(cai)料(liao)(liao)，只有(you)陶瓷能(neng)达到中(zhong)型和大型制(zhi)(zhi)(zhi)冷(leng)(leng)设(she)备对(dui)高(gao)制(zhi)(zhi)(zhi)冷(leng)(leng)量的(de)(de)(de)需(xu)(xu)求，研究(jiu)具(ju)有(you)更高(gao)电(dian)热性(xing)能(neng)的(de)(de)(de)铁电(dian)陶瓷材(cai)(cai)料(liao)(liao)变(bian)得尤为重要。然而环境可持续性(xing)需(xu)(xu)要制(zhi)(zhi)(zhi)约着含铅材(cai)(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)(de)发展及使(shi)用，类似于现在(zai)压(ya)电(dian)材(cai)(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)(de)研究(jiu)趋势，电(dian)热材(cai)(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)(de)研究(jiu)也应(ying)该集中(zhong)在(zai)无铅组分上，以替代高(gao)性(xing)能(neng)的(de)(de)(de)含铅电(dian)热材(cai)(cai)料(liao)(liao)。

参考来源(yuan)：

1. 铁电材料在电热(re)制冷中的应用(yong)进展，胡(hu)先鹤(he)、赵一洁、孟祥睿（应用(yong)化工）；

2. 锡(xi)钛(tai)酸钡体(ti)系陶瓷的(de)介电(dian)、铁电(dian)及巨电(dian)热性(xing)能研究，张鑫（南京大学）；

3. 新型制冷技(ji)术研究进展(zhan)，陈军、田(tian)芳、蒙德(de)慈、贾旭、高昂、王(wang)明(ming)、李娜、李莉莎(sha)、倪士峰（宁夏农林科技(ji)）。

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