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在现今能源消费的结构中，制冷和空调的能源消耗(hao)占了总能源消耗(hao)的20%，降低能耗(hao)始(shi)终是制冷行业不懈追(zhui)求的方(fang)向(xiang)。寻(xun)找到可(ke)以取代压缩蒸汽(qi)制冷的(de)新型(xing)制冷(leng)技术是解(jie)决制冷(leng)环境污(wu)染问(wen)题的(de)一(yi)个行之有效的(de)方案(an)，在众多的(de)方案(an)中，有一(yi)种利用(yong)材料(liao)的(de)电热(re)效应(ying)进(jin)行(xing)的(de)制(zhi)冷(leng)(leng)技(ji)(ji)术，这种电热效(xiao)(xiao)应(ying)制(zhi)冷(leng)(leng)技(ji)(ji)术属于固(gu)态制(zhi)冷(leng)(leng)的(de)一(yi)种。和压缩蒸汽制(zhi)冷(leng)(leng)技(ji)(ji)术相(xiang)比(bi)，电热制(zhi)冷(leng)(leng)具有(you)(you)以下(xia)潜(qian)力(li)：（1）提高能源效(xiao)(xiao)率；（2）采(cai)用没(mei)有(you)(you)直接臭氧耗竭(jie)潜(qian)力(li)(ODP)和没(mei)有(you)(you)全球变暖(nuan)潜(qian)力(li)(GWP)的(de)固(gu)态材料，减少(shao)对环境(jing)的(de)影响；（3）制(zhi)冷(leng)(leng)部件(jian)更加紧凑，有(you)(you)效(xiao)(xiao)地降低了声(sheng)音污染。

什(shen)么是电(dian)热制(zhi)冷？

电热制冷是利用铁电体的电热效应(ying)进行制冷(leng)的一种固(gu)体(ti)制冷(leng)技术，当电(dian)(dian)场作(zuo)用于电(dian)(dian)介(jie)(jie)(jie)质(zhi)(zhi)时，电(dian)(dian)介(jie)(jie)(jie)质(zhi)(zhi)内(nei)部的偶极(ji)子(zi)由无序的状态变为有序，熵(shang)(shang)降(jiang)低，其他部分的熵(shang)(shang)便会增(zeng)大以弥补极(ji)化熵(shang)(shang)的减小，电(dian)(dian)介(jie)(jie)(jie)质(zhi)(zhi)的温(wen)度会升高；当电(dian)(dian)场撤去时，电(dian)(dian)介(jie)(jie)(jie)质(zhi)(zhi)内(nei)部会产生退(tui)极(ji)化现象，介(jie)(jie)(jie)质(zhi)(zhi)的极(ji)化熵(shang)(shang)增(zeng)加，电(dian)(dian)介(jie)(jie)(jie)质(zhi)(zhi)的温(wen)度会降(jiang)低，这就是(shi)电(dian)(dian)热制冷(leng)的基础(chu)。

电(dian)(dian)(dian)热(re)(re)(re)(re)制(zhi)(zhi)冷的(de)(de)(de)原理(li)与压(ya)缩(suo)蒸(zheng)汽(qi)制(zhi)(zhi)冷技(ji)术(shu)相(xiang)似，即(ji)根据逆卡诺(nuo)循环，工质（电(dian)(dian)(dian)热(re)(re)(re)(re)材料）将热(re)(re)(re)(re)量从热(re)(re)(re)(re)源(yuan)传递到(dao)周围环境中。一个电(dian)(dian)(dian)热(re)(re)(re)(re)效(xiao)电(dian)(dian)(dian)热(re)(re)(re)(re)制(zhi)(zhi)冷的(de)(de)(de)运行过(guo)程可(ke)以对应压(ya)缩(suo)蒸(zheng)气制(zhi)(zhi)冷循环的(de)(de)(de)四(si)个步骤(zhou)，即(ji)压(ya)缩(suo)机的(de)(de)(de)绝(jue)热(re)(re)(re)(re)压(ya)缩(suo)过(guo)程、冷凝器的(de)(de)(de)定(ding)压(ya)放热(re)(re)(re)(re)过(guo)程、膨胀(zhang)机的(de)(de)(de)绝(jue)热(re)(re)(re)(re)膨胀(zhang)过(guo)程和蒸(zheng)发(fa)器的(de)(de)(de)定(ding)压(ya)吸热(re)(re)(re)(re)过(guo)程。

铁电材料(liao)电热制冷原理

在电(dian)热材料(liao)的研(yan)究过(guo)程(cheng)中，根据(ju)材料(liao)制作工艺和(he)成分的不同，将(jiang)电(dian)热材料(liao)分为块体材料、薄(bo)膜(mo)材料和高(gao)分子聚(ju)合物(wu)薄(bo)膜(mo)几个方面。 块体材(cai)料(liao)主要(yao)有陶瓷（厚度＞100μｍ）、单晶和厚膜（厚度在10μｍ左(zuo)右），薄膜材料主要有锆钛酸铅(Pb(ZrTi)O₃)等含铅(qian)铁(tie)电薄膜及钛酸钡基无铅(qian)铁(tie)电薄膜（厚(hou)度＜1μｍ），高分子(zi)材(cai)料的研究主要围绕着聚偏二氟乙烯(PVDF)及其共聚物(wu)。

以(yi)下主要介(jie)绍(shao)铁电陶瓷(ci)在电热制冷领(ling)域的应用。

铁电陶瓷应(ying)用于电热制冷

铁(tie)电(dian)陶(tao)瓷是具(ju)有(you)铁(tie)电(dian)性(xing)的(de)陶(tao)瓷材料(liao)，在低于居里温度(du)时具(ju)有(you)自(zi)发极(ji)(ji)化性(xing)能(neng)。陶(tao)瓷中具(ju)有(you)许(xu)多电(dian)畴，铁(tie)电(dian)陶(tao)瓷的(de)重要特(te)征是其极(ji)(ji)化强度(du)与施加电(dian)压不成线性(xing)关系，具(ju)有(you)明显(xian)的(de)滞后效(xiao)应。由于这类陶(tao)瓷的(de)电(dian)性(xing)能(neng)在物理上(shang)与铁(tie)磁材料(liao)的(de)磁性(xing)能(neng)相似(si)，因(yin)而称为(wei)铁(tie)电(dian)陶(tao)瓷，不一定以(yi)铁(tie)作为(wei)其主要成分。

常见的铁电(dian)陶瓷多(duo)属钙(gai)钛矿型结构，如钛(tai)酸(suan)钡陶瓷及其固溶体，也有钨青铜(tong)型、含铋层状化合物(wu)和烧绿(lv)石型等(deng)结(jie)构。目前通(tong)过固溶、离子(zi)代换和掺杂改性等(deng)获得(de)实用(yong)的(de)铁电(dian)氧(yang)化物(wu)陶瓷已达千种(zhong)以上，可(ke)用(yong)于(yu)产生电(dian)容、压(ya)电(dian)、热敏、电(dian)致伸(shen)缩、电(dian)声(sheng)、电(dian)光等(deng)效应(ying)，作为传感、驱动、存储、调制等(deng)器件的(de)材料(liao)。

铁电材料的分类及(ji)常见钙钛矿结构

对陶(tao)瓷电热效应(ying)的(de)探(tan)索历(li)程中，以锆钛酸铅为(wei)主含铅压电陶(tao)瓷的(de)性能(neng)为(wei)最(zui)佳，但是其较高的(de)铅含量在生产和使用的(de)过(guo)程中对环境造成了(le)严(yan)重的(de)铅污染，为(wei)了(le)环境保护人们(men)期望(wang)开发出(chu)无铅压(ya)电材料。无(wu)铅(qian)压(ya)电陶瓷主(zhu)要有以下几个体系：BaTiO₃基无(wu)(wu)(wu)铅压(ya)(ya)电(dian)陶(tao)瓷(ci)(ci)、BNT基无(wu)(wu)(wu)铅压(ya)(ya)电(dian)陶(tao)瓷(ci)(ci)、铌(ni)酸盐基无(wu)(wu)(wu)铅压(ya)(ya)电(dian)陶(tao)瓷(ci)(ci)、铋层状物结构(gou)无(wu)(wu)(wu)铅压(ya)(ya)电(dian)陶(tao)瓷(ci)(ci)。

其中BaTiO₃基(ji)无铅(qian)压电(dian)陶(tao)瓷的研(yan)究开(kai)始的最早，相较于(yu)其他(ta)无铅(qian)压电(dian)陶(tao)瓷，BaTiO₃基无铅压(ya)电陶(tao)瓷的(de)居(ju)里温度(du)较(jiao)(jiao)低，且较(jiao)(jiao)容易(yi)通(tong)过化(hua)学改性的(de)方法改变陶(tao)瓷的(de)相变温度(du)从而(er)得到在室(shi)温附(fu)近较(jiao)(jiao)大的(de)电热效应。

BaTiO₃出色的(de)介电和铁电性能被开(kai)发用于多种电子器(qi)件，如电容、热敏电阻(zu)、传感器(qi)和微电子领域的(de)非易失(shi)存储器(qi)，这些性能深受一些参数的(de)影响(xiang)，如晶粒大小、密度、杂质和结构(gou)缺陷。BaTiO₃掺(chan)Zr、Hf、Ce、Y和Sn等可(ke)以(yi)提高(gao)介(jie)电性(xing)能(neng)，显示出非常(chang)(chang)高(gao)的(de)(de)介(jie)电常(chang)(chang)数(shu)、压电和热(re)释电常(chang)(chang)数(shu)以(yi)及宏观上(shang)较弱(ruo)的(de)(de)滞后曲线。同时钛(tai)酸钡基固(gu)溶体(ti)是(shi)环境友好型介(jie)质，并且具有类似(si)铅基电子(zi)陶瓷的(de)(de)性(xing)能(neng)，作为电热(re)制冷基础材料有着(zhe)极大的(de)(de)应用潜力。

BaTiO₃陶瓷(ci)材料(liao)

关(guan)于BaTiO₃基无铅压电陶瓷粉体制(zhi)备(bei)及(ji)其改性方法，可详(xiang)见以下文章：

总结(jie)

与传统制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)冷相(xiang)(xiang)比(bi)，电(dian)(dian)热(re)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)冷技术在(zai)小负(fu)荷下(xia)的(de)(de)(de)(de)局部制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)冷场(chang)合(he)具(ju)有(you)独特的(de)(de)(de)(de)优势，如电(dian)(dian)子器件的(de)(de)(de)(de)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)冷和封装。铁电(dian)(dian)材(cai)(cai)料(liao)在(zai)绝热(re)去极化(hua)时温度(du)降低(di)，因此利用其(qi)电(dian)(dian)热(re)效应(ying)研(yan)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)新(xin)型(xing)(xing)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)冷器便(bian)引(yin)起(qi)广泛关注，相(xiang)(xiang)比(bi)于其(qi)它(ta)类型(xing)(xing)的(de)(de)(de)(de)材(cai)(cai)料(liao)，只有(you)陶瓷能达到中(zhong)型(xing)(xing)和大型(xing)(xing)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)冷设备对高(gao)(gao)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)冷量的(de)(de)(de)(de)需(xu)(xu)求(qiu)，研(yan)究具(ju)有(you)更高(gao)(gao)电(dian)(dian)热(re)性能的(de)(de)(de)(de)铁电(dian)(dian)陶瓷材(cai)(cai)料(liao)变得尤为重要。然而环境(jing)可持续性需(xu)(xu)要制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)约着含(han)铅材(cai)(cai)料(liao)的(de)(de)(de)(de)发展及使用，类似于现在(zai)压(ya)电(dian)(dian)材(cai)(cai)料(liao)的(de)(de)(de)(de)研(yan)究趋(qu)势，电(dian)(dian)热(re)材(cai)(cai)料(liao)的(de)(de)(de)(de)研(yan)究也应(ying)该集中(zhong)在(zai)无铅组分上，以替代高(gao)(gao)性能的(de)(de)(de)(de)含(han)铅电(dian)(dian)热(re)材(cai)(cai)料(liao)。

参考来(lai)源：

1. 铁(tie)电材料在电热制冷中(zhong)的应(ying)用(yong)进展，胡先鹤、赵一洁(jie)、孟(meng)祥睿（应(ying)用(yong)化工(gong)）；

2. 锡(xi)钛酸钡(bei)体系陶瓷的介(jie)电(dian)、铁(tie)电(dian)及巨(ju)电(dian)热(re)性能(neng)研究，张鑫（南京大学(xue)）；

3. 新(xin)型(xing)制冷(leng)技(ji)术研究进展，陈军、田芳(fang)、蒙德慈、贾旭、高昂、王明、李娜、李莉莎(sha)、倪士峰（宁夏(xia)农林科技(ji)）。

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