铁电材料的电卡效应系统研究-EMC-150型电卡效应测试系统

      随着5G、新能源汽车、生物医疗和航空航天工程等领域的快速发展,业界对高效、灵活、环保的新型固态制冷技术提出了迫切需求。目前研究较为广泛的新型固态制冷技术主要包括半导体热电制冷、磁卡制冷、弹卡制冷和电卡制冷等。其中,电卡制冷主要利用了极性材料的电卡效应,即通过外加电场改变材料的极化状态从而引起材料发生温度变化。与其他固态制冷技术相比,电卡制冷具有高效、环保、易于小型化和可靠性高等优点,在局限空间制冷、芯片级制冷等领域具有广阔的应用前景。目前,铁电材料的电卡效应已成为凝聚态物理研究的前沿热点之一。目前,铁电材料的电卡效应研究及器件应用,仍有一些亟待解决的问题。比如精确测量、材料选择与优化、性能调控与增强、器件可靠性等。本文利用自行搭建的力-电-热多场耦合铁电测量装置和单轴应力作用下电卡直接测量装置,以铁电材料的电畴翻转行为为核心,围绕上述若干关键问题,研究了电场加载频率和单轴压缩应力对铁电材料电卡效应的影响,以及电畴翻转对铁电材料电疲劳行为的影响。此外,还开展了新型无铅弛豫铁电陶瓷的掺杂改性研究。本论文的主要研究内容及结果如下:(1)以“软性”锆钛酸铅(PZT)陶瓷为模型材料,研究了间接法测量中电场频率对电卡效应评估的影响。研究结果表明,使用1 Hz频率下测得的电滞回线计算出的电卡效应与文献中报道的直接法测量结果吻合良好,而使用100 Hz频率却获得了正负电卡共存的结果。该现象可以通过电畴翻转的速率相关动态过程来理解。因此,使用间接法测量铁电材料的电卡效应时,应高度重视外加电场频率,以获得准确和具有代表性的电卡温变。(2)以“软性”PZT陶瓷为模型材料,分别使用Landau-Ginzburg-Devonshire唯象理论、直接法和间接法测量研究了单轴压缩应力对铁电材料电卡效应的影响。其中,直接法测量由红外相机和特殊设计的测量装置实现。研究结果表明,单轴压缩应力可显著影响铁电陶瓷的电卡响应。其中,直接法测量结果与唯象理论计算结果基本一致,而直接法与间接法测量结果却存在显著的差异,表明基于麦克斯韦关系式的间接法在伴随不饱和极化的预应力作用条件下可能是无效的。以上现象可归因于力-电-热多场耦合下的复杂电畴翻转过程和可能存在的相变行为。特别地,直接法测量结果显示预压应力50 MPa下材料在温度375 K的电卡温变值与无预压应力条件相比可提高66.7%,这直接证明了施加预压应力是增强铁电材料中电卡效应的有效手段之一。我们的研究结果不仅为单轴压缩应力对ECE的影响提供了进一步的理解,而且为电卡材料及器件的设计提供了新的思路。(3)电卡制冷装置在实际应用中需要加载高周循环电场,因此材料的疲劳行为对电卡器件的可靠性设计至关重要。使用单轴压缩应力(2 MPa～100 MPa)和温度场(20℃～150℃)调控电畴翻转过程,通过测量不同电加载周期下“软性”PZT铁电陶瓷的极化和应变演变以及3.6×10~5循环电疲劳后样品表面裂纹扩展情况,研究了电畴翻转对铁电材料电疲劳行为的影响。研究结果表明,铁电材料的电疲劳行为主要与矫顽电场附近发生的快速电畴翻转过程(文中定义的阶段2)有关。通过分析电畴翻转与典型疲劳因素(缺陷重新分布、载流子注入和裂纹萌生)之间的相互作用,并进一步讨论了电疲劳的潜在机制。(4)(Bi_(0.5)Na_(0.5))Ti O_3基无铅弛豫铁电陶瓷在电卡制冷和压电器件领域具有巨大的应用潜力。采用传统固相反应法制备了不同Fe_2O_3掺杂的0.94(Bi_(0.5)Na_(0.5))Ti O_3-0.06Ba Ti O_3(0.94BNT-0.06BT)无铅弛豫铁电陶瓷,研究了Fe元素掺杂对0.94BNT-0.06BT陶瓷的相结构、介电、铁电和压电性能的影响。结果表明,Fe元素掺杂会延缓双电滞回线出现的温度。随着Fe元素掺杂浓度的增加,铁电态到弛豫态的相变温度T_(F-R)逐渐向更高温度移动,在0.94BNT-0.06BT-0.01Fe_2O_3组分具有最高的T_(F-R)为125℃,与未掺杂组分的T_(F-R)相比提高了20℃。此外,适当的Fe元素掺杂(x≤1.0%)可稳定铁电长程有序,使0.94BNT-0.06BT陶瓷的压电性能和热稳定性同时得到提高。