电卡制冷基于电卡效应, 由于其能量转换效率高、环境友好、体积小易于集成等优势, 被认为是新一代高效制冷技术, 已成为铁电领域新兴研究热点之一。本工作采用传统固相反应法制备了 0.77NaNbO3-0.23BaTiO3+wMn (w=0、0.2%、0.4%、 0.6%, 质量分数 )电卡陶瓷样品, 研究了不同 Mn掺杂量对 0.77NaNbO3-0.23BaTiO3 陶瓷的物相组成和微观形貌, 测量了不同 Mn掺杂量样品的介温谱、电滞回线和电卡效应。结果表明: 适量 Mn掺杂陶瓷样品可以促进晶粒的致密化、提高介电常数和饱和极化强度、并显著提升其电卡效应, 当掺杂量 w=0.4%时, 室温下样品的温变值 ΔT由 0.09 K提升到 0.39 K, 熵变值 ΔS由 0.17 J·kg-1·K-1提升到 0.71 J·kg-1·K-1, 电卡强度 ΔT/ΔE=0.13×10-6 K·m·V-1, ΔS/ΔE=0.24×10-6 J·m·kg-1·K-1·V-1 (E= 30 kV·cm-1), 由此可知, 0.77NaNbO3-0.23BaTiO3+0.4%Mn陶瓷是一种具有应用前景的电卡制冷材料。

电卡效应通过电场诱导极性材料的相变和偶极子取向, 进而引起材料的熵变和温变、控制材料的吸、放热过程, 可用于热搬运和制冷。电卡制冷无须危害环境的制冷剂, 且具有效率高、体积小和重量轻的特点, 可为节能环保制冷技术的实现提供新的解决方案。铁电材料电卡效应的增强是电卡制冷走向实用的关键。铁电陶瓷极化率高、相结构丰富且调控方法多样, 在电卡效应研究中备受关注。本工作介绍了基于不同材料体系的铁电陶瓷薄膜、块体和多层厚膜的电卡效应, 讨论了电卡性能与材料配方、相变行为和微结构间的内在联系, 归纳了材料电卡效应的调控方法。最后, 对铁电陶瓷的未来研究进行了展望。

该文采用传统固相合成法制备了Bi0.5Na0.5Ti(1-x)HfxO3 (x=0, 0.02, 0.04和0.06)陶瓷, 通过X线衍射仪(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)表征了其相结构、微观表面, 并研究了其介电性能、铁电性能及比热容与相变的关系。通过构建电场和温度的条件, 共同调控铁电相变。再借助麦克斯韦方程, 通过间接法计算, 最终在50 ℃、70 kV/cm的电场下, 在Bi0.5Na0.5TiO3-0.04Hf陶瓷中通过诱导畴变得到了0.5 K的负电卡效应。

基于电卡效应的固态制冷技术, 具有高效、环境友好、轻量、低成本和易于小型化等优点, 是替代传统压缩机制冷的理想技术之一。在施加或去除电场时产生较大极化变化的铁电材料, 则是制备基于电卡效应固态制冷器件的理想材料。近年来, 人类对环境可持续发展的需求, 使无铅块体陶瓷的电卡效应研究成为铁电材料领域的研究热点之一。本文首先回顾电卡效应研究历史上的标志性事件, 随后简要介绍电卡制冷的原理, 提出了在室温附近获得宽温区和大电卡温变的材料设计思路, 之后系统综述了BaTiO₃基、Bi_0.5Na_0.5TiO₃基和K_0.5Na_0.5NbO₃基无铅块体陶瓷电卡效应的研究进展, 重点分析了这三类无铅块体陶瓷电卡效应的独特优势和面临的挑战, 最后对无铅块体陶瓷电卡效应的发展趋势进行了展望。