电场作用下极性电介质材料的电热效应研究

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1、硕士学位论文电场作用下极性电介质材料的电热效应研究RESEARCHONELECTROCALORICEFFECTOFPOLARDIELECTRICMATERIALSUNDERELECTRICFIELD王义哈尔滨工业大学2015年6月国内图书分类号：TB332学校代码：10213国际图书分类号：621密级：公开工学硕士学位论文电场作用下极性电介质材料的电热效应研究硕士研究生：王义导师：刘彦菊教授申请学位：工学硕士学科：固体力学所在单位：航天学院答辩日期：2015年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TB332U.D.C:621Dissertationf

2、ortheMasterDegreeinEngineeringRESEARCHONELECTROCALORICEFFECTOFPOLARDIELECTRICMATERIALSUNDERELECTRICFIELDCandidate：WangYiSupervisor：Prof.LiuYanjuAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：SolidMechanicsAffiliation：SchoolofAstronauticsDateofDefence：June,2015Degree-Conferring-Insti

3、tution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要极性电介质材料在电场作用下产生温度和熵的变化被称为电热效应（Electrocaloriceffects，ECE）。在长达几十年的时间里，极性电介质材料只被发现了相对较小的电热效应，无法应用于实际。最近，研究人员发现部分铁电材料具有大电热效应，因此使得利用电介质的电热效应设计制冷器成为一个研究热点。与传统的制冷技术相比，这种制冷技术具有无污染、制冷效率高的优点，因而在现代制冷行业有巨大的应用前景。本文利用居里-外斯定律、朗道相变理论和麦克斯韦关系式等推导出了极性电介质电热效应的计算公式，计算出了顺电态下

4、和铁电相变态经历相变状态下的电介质温度变化、熵变化，并对比了两种状态下的电热效应的大小。从而为分析材料的最大温度变化、最大熵变以及做功能力等提供理论依据。同时本文建立了极性电介质材料在顺电态、铁电相变态的电热效应的热力学理论模型。该理论表明只要工作温度足够接近居里温度，电热效应基本都比较大，而且比顺电态要大很多。基于这一点，在某一工作环境下，只要找到一种居里温度非常接近这个工作温度的电介质，就能实现较大的电热效应。典型热力学循环的建立是研究电热材料作为制冷器件进行能量转化和做功能力的理论基础，为此经过选取居里温度与室温相近的极性较大的电介质作为制冷材料加之设计工艺上的提升，是

5、利用顺电态下极性电介质的电热效应制作出有一定应用前景制冷器的有力保障。本文还验证了极性电介质在低于并接近于铁电-顺电相变居里温度时具有的较大电热效应潜能，这是因为相变能够引起电介质材料的极性发生改变，而极性的改变又能引起较大的熵变化。最后本文建立了具有大电热效应和大变形的极性弹性电介质热力学理论。该理论表征了极性电介质在受到机械力，电场和热场耦合作用下的平衡条件。并通过考虑极性弹性电介质热力学系统的超弹性、极化、电致伸缩和热贡献的耦合影响，对其机械性能和大变形进行了分析。这为探寻一定工作温度要求（比如室温条件或其他有特殊要求的温度）条件下的具有大电热效应的电介质材料指明了方向

6、；同时也能够为基于极性电介质电热效应的制冷器的设计制造提供理论参考。关键词：极性电介质；电热效应；顺电态；铁电态；铁电-顺电相变；热电耦合-I-AbstractAbstractThechangeoftemperatureandentropyproducedbypolardielectricmaterialsunderelectricfieldiscalledelectrocaloriceffects(ECE).Fordecades,polardielectricmaterialshaveonlybeenfoundtohavearelativelysmallelectrothe

7、rmaleffect,whichcannotbeputintopracticaluse.Recently,largeelectrocaloriceffectofferroelectricmaterialsdiscoveredbyresearchersarisestheinterestofstudyontherefrigerationmechanismwhichisdesignedbasedontheelectrocaloriceffectofdielectricmaterials.Comparedtot