傳統蒸氣壓縮循環冷卻技術中使用的制冷劑是導致氣候惡化的主要原因之一。面向生態環保和能源節約的迫切需求，探索低成本、高效率和高能量密度的新型環保制冷材料成為研究的重點與熱點。基于電卡效應（ECE）的固態制冷技術高效節能、環境友好、快速制冷、易于集成等諸多優勢，有望在集成電路、醫療設備和傳感器等領域得到廣泛應用。目前，最優的制冷電介質仍需超高外加電場激發制冷效果，極易造成材料老化與擊穿。實現陶瓷材料的復合優化，探索兼顧大的溫變、低驅動場強、寬工作溫區的電卡材料成為該領域的難點與挑戰。
基于以上難題，西安交通大學電信學部電子科學與工程學院靳立教授團隊，通過將B位完全有序的Pb(Lu1/2Nb1/2)O3反鐵電陶瓷材料和PbTiO3鐵電端元相結合，設計并順利制備出Pb(Lu1/2Nb1/2)O3-xPbTiO3（PLN-xPT）的一系列固溶體陶瓷，實現了對該體系陶瓷微觀結構與相變行為的精準調控。相場模擬揭示了組分固溶對極化的貢獻，預測了電場/溫度誘導的鐵電-反鐵電-順電相（FE-AFE-PE）連續演變行為和微觀結構演變。綜合結構分析和直接測量法驗證了x= 0.16組分的卓越ECE性能，包括3.03 K的大溫變（?T），20 kV cm–1電場下0.08 K cm kV–1的超高ECE強度，及31 °C的寬工作溫區（Tspan），在無鉛和鉛基電卡陶瓷中具有很強的競爭力。這種新型的設計策略和優化機制將指導高性能電卡材料的設計，并將促進基于電卡效應的下一代制冷系統的發展。
圖1. Pb(Lu1/2Nb1/2)O3-xPbTiO3陶瓷體系的設計思路與電卡制冷循環示意圖
該研究工作近日以《通過連續相變設計揭示低電場下的超高電卡效應》（Unveiling a giant electrocaloric effect at low electric fields through continuous phase transition design）為題發表于國際著名期刊《Advanced Powder Materials》上。
此外，相關系列研究工作以《提高B位復合反鐵電體的室溫電卡性能：一種協同設計方法》（Boosting room-temperature electrocaloric performance in B-site complex antiferroelectrics: A synergistic design approach）為題發表在國際材料領域權威期刊《Acta Materialia》上。
以《多相變設計實現鐵電材料中的卓越電卡性能和超弱電致伸縮響應》（Engineering multiphase phase transitions for exceptional electrocaloric performance and ultraweak electrostrictive response in ferroelectrics）為題發表在《ACS Applied Materials & Interfaces》上。
該三項工作皆以西安交通大學為唯一通訊單位，電信學部電子學院博士生黃韻堯為第一作者，西安交通大學電子學院靳立教授和材料學院柯小琴教授為共同通訊作者。該研究工作得到了國家自然科學基金、陜西省重點研發國際合作項目等項目的資助。西安交通大學分析測試中心提供了相關測試表征支持。
論文鏈接：
1.通過連續相變設計揭示低電場下的超高電卡效應（Unveiling a giant electrocaloric effect at low electric fields through continuous phase transition design）https://doi.org/10.1016/j.apmate.2024.100225
2.提高B位復合反鐵電體的室溫電卡性能：一種協同設計方法（Boosting room-temperature electrocaloric performance in B-site complex antiferroelectrics: A synergistic design approach）https://doi.org/10.1016/j.actamat.2024.120177
3.多相變設計實現鐵電材料中的卓越電卡性能和超弱電致伸縮響應（Engineering multiphase phase transitions for exceptional electrocaloric performance and ultraweak electrostrictive response in ferroelectrics）https://doi.org/10.1021/acsami.4c09282
來源：西安交通大學
原文鏈接：https://news.xjtu.edu.cn/info/1219/213376.htm
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