製冷是人們(mén)日(rì)常(cháng)生活中*的事情(qíng), 從水果，蔬菜，肉(ròu)類(lèi)保鮮(xiān), 到空(kōng)調的使(shǐ)用, 再(zài)到(dào)醫(yī)用方麵的核磁共振(zhèn)成像等(děng), 都需要(yào)製冷(lěng)。普通的壓縮機(jī)製(zhì)冷的方(fāng)法(fǎ)已(yǐ)經(jīng)差不多到(dào)了其極(jí)限(xiàn), 並(bìng)且其(qí)排出的(dí)有(yǒu)機氣(qì)體, 直(zhí)接(jiē)破壞(huài)嗅(xiù)氧(yǎng)層, 引起(qǐ)了溫(wēn)室(shì)效(xiào)應, 對環(huán)境(jìng)的破(pò)壞作用已越來越受(shòu)到(dào)人們的重(zhòng)視。尋(xún)找製(zhì)冷(lěng)方(fāng)式(shì)成(chéng)為一項(xiàng)刻不(bù)容(róng)緩的(dí)任務。

電卡(qiǎ)效(xiào)應(Electrocaloric Effect)是(shì)在極(jí)性(xìng)材料(liào)中因(yīn)外(wài)電(diàn)場的改(gǎi)變(biàn)從而(ér)導*化狀態發(fā)生改(gǎi)變而產(chǎn)生(shēng)的絕(jué)熱溫度(dù)或等溫熵的(dí)變化(huà)。由於電卡效應(yīng)直接與(yǔ)極化強(qiáng)度(dù)的(dí)變(biàn)化(huà)相關(guān), 因而強極(jí)性的鐵(tiě)電材料能(néng)產生(shēng)較(jiào)大的(dí)電卡效(xiào)應(yīng)。對(duì)極(jí)性材料(liào)施(shī)加電場(cháng), 材(cái)料中的(dí)電偶(ǒu)極子從無(wú)序變(biàn)為有(yǒu)序, 材料的熵(shāng)減(jiǎn)小(xiǎo), 在絕(jué)熱條件下(xià), 多餘(yú)的熵產(chǎn)生溫(wēn)度的(dí)上(shàng)升。移去電(diàn)場, 材料(liào)中的電偶極子從(cóng)有序(xù)變為(wéi)無序(xù), 材料(liào)的(dí)熵增加, 在(zài)等(děng)溫條件下, 材料從(cóng)外界吸收熱(rè)量使能量(liáng)守(shǒu)恒。或(huò)在絕熱(rè)條件下(xià), 不足(zú)的(dí)熵(shāng)導(dǎo)致材料(liào)溫度的(dí)下降。這(zhè)就(jiù)是電卡效應的(dí)製冷(lěng)原理。

對(duì)於一個理想(xiǎng)的製冷循環, 電場(cháng)移(yí)去(qù)時(shí)電(diàn)卡材(cái)料(liào)能(néng)從接觸(chù)的(dí)負(fù)載吸收(shōu)熱(rè)量(等(děng)溫(wēn)熵變)。然後(hòu)電(diàn)卡材(cái)料(liào)與(yǔ)負(fù)載分開, 此(cǐ)時, 若對電卡材料施加(jiā)電場, 材(cái)料的溫度將會升(shēng)高(絕(jué)熱(rè)溫變(biàn))。將電卡材料與散(sàn)熱片接(jiē)觸, 多(duō)餘的(dí)熱(rè)量將要釋放(fàng)出去, 使得電卡材料(liào)的溫度(dù)與室溫一(yī)致(zhì)。然後, 電(diàn)卡(qiǎ)材(cái)料與散(sàn)熱(rè)片斷(duàn)開(kāi), 並與負載(zǎi)相(xiāng)接觸。移去電場(cháng), 電卡(qiǎ)材料的溫度(dù)降低(dī), 並從負(fù)載(zǎi)處(chǔ)吸收熱(rè)量。重(zhòng)復整個(gè)過(guò)程, 負(fù)載的(dí)溫度會(huì)不(bù)斷降低。這(zhè)就是(shì)電卡(qiǎ)製(zhì)冷(lěng)機的基本(běn)原理。由(yóu)於(yú)在熱(rè)循環(huán)過(guò)程中, 電(diàn)卡(qiǎ)材(cái)料的(dí)熵變和溫變都起(qǐ)到了(liǎo)作用, 兩者對熱(rè)循環都是非常重要的(dí)。

電卡(qiǎ)效應的研(yán)究可(kě)以追蹤(zōng)到上個世紀 30 年代, 兩位德(dé)國(guó)科(kē)學家 Kobeko 及(jí) Kurtschatov 首先測量了羅(luó)息鹽的電(diàn)卡(qiǎ)效應, 得(dé)到了(liǎo)定(dìng)性(xìng)結(jié)果, 但沒有數據(jù)報道(dào)。 1963 年, 兩(liǎng)位(wèi)美國科學(xué)家重復了他們的實驗, 並(bìng)在(zài) 22.2 ℃, 1.4 kV/cm 的條件下(xià), 測(cè)得絕熱溫度變化(huà)為 0.0036 ℃。由(yóu)於鐵(tiě)電(diàn)體等極(jí)性(xìng)材料(liào)的限製, 電卡(qiǎ)效(xiào)應(yīng)的研(yán)究(jiū)得(dé)到(dào)的(dí)絕熱溫度(dù)的變化都小(xiǎo)於 1 ℃。這主(zhǔ)要是由(yóu)於體材(cái)料(liào)的(dí)擊(jī)穿(chuān)電場較低, 材料的選(xuǎn)擇範(fàn)圍(wéi)也相(xiāng)對較窄。 

與(yǔ)此(cǐ)同時, 磁(cí)卡效(xiào)應的研(yán)究取得(dé)了一(yī)係列成果, 獲得了數(shù)種(zhǒng)被(bèi)稱為巨(jù)磁卡效(xiào)應(yīng)的材料體係, 如Gd5(SixGe4-x)，Tb5Si2Ge2，MnAs1-xSbx，La(Fe1-xSix)13，La(Fe1-xSix)13Hy，MnFePxAs1-x及 Ni2±xMn1±xGa。這(zhè)些材料的單位磁(cí)場的(dí)絕熱溫(wēn)度變(biàn)化達(dá)到 4 ℃/T(T-特斯拉)。相(xiāng)應地, 磁卡製(zhì)冷機(jī)也被研(yán)製(zhì)出來。磁(cí)卡(qiǎ)製(zhì)冷(lěng)與電卡製冷(lěng)都是(shì)利(lì)用固態相變(biàn)製冷(lěng), 在原(yuán)理(lǐ)上沒有本質(zhì)的區別。磁卡(qiǎ)效應的優點(diǎn)是(shì)磁場不(bù)必(bì)與樣品(pǐn)接(jiē)觸, 並且(qiě)可以非(fēi)常強(qiáng)而(ér)不考慮(lǜ)擊穿的問題; 缺點是磁場的產生需(xū)要磁(cí)鐵, 這阻(zǔ)礙了製(zhì)冷器(qì)件(jiàn)的小(xiǎo)型化, 在(zài)設計上(shàng)也很(hěn)不靈活。電卡(qiǎ)效應電場的(dí)設計(jì)取決(jué)於高(gāo)壓端的形(xíng)狀(zhuàng), 在設(shè)計上非常靈(líng)活(huó)多(duō)樣(yàng)。

電(diàn)卡效應研(yán)究的應用(yòng)前景(jǐng)。對(duì)電(diàn)卡效(xiào)應(yīng)重新燃(rán)起的熱潮源於發表在Science雜誌的關(guān)於(yú)PZT和P(VDF-TrFE)薄膜的兩項(xiàng)工作。目前(qián)研究(jiū)工作(zuò)已(yǐ)經涵(hán)蓋了無機(jī)鐵電反(fǎn)鐵(tiě)電(diàn)單晶，陶瓷，薄膜，厚(hòu)膜(mó)，有機鐵電薄(báo)膜(mó)，厚膜以(yǐ)及鐵(tiě)電(diàn)液(yè)晶(jīng)等, 數種材(cái)料表現(xiàn)出了(liǎo)誘人的(dí)應用(yòng)前景。鐵(tiě)電聚合(hé)物(wù)的絕熱溫(wēn)變和(hé)等(děng)溫熵(shāng)變(biàn)仍(réng)然(rán)高於其(qí)它(tā)材料; 馳(chí)豫型鐵電體中(zhōng)具有(yǒu)納(nà)米無(wú)序(xù)態及室(shì)溫平(píng)均相(xiāng)變(biàn)溫(wēn)度(dù)。鐵電多層(céng)陶(táo)瓷也表現出較高的電卡效應(yīng)的累積(jī)效應(yīng)。一(yī)級相(xiāng)變(biàn)單(dān)晶(jīng) BaTiO3 具有(yǒu)非常(cháng)高的電(diàn)卡效率(shuài)(ΔQ/ΔE, ΔT/ΔE)。關(guān)於(yú)鐵電製(zhì)冷器(qì)件方麵(miàn), 早(zǎo)期(qī) Sinyavsky等(děng)用鐵電(diàn)陶(táo)瓷進行了電卡製冷器件(jiàn)的嘗(cháng)試, 得到(dào)了約 4 ℃的(dí)冷熱端溫(wēn)差(chà)。近 Gu等(děng)采用輻照後的 P(VDF-TrFE)多層(céng)膜以(yǐ)及一種往復運動蓄熱(rè)的方式, 得到(dào)了約 6 ℃的(dí)冷熱(rè)端(duān)溫(wēn)差(chà), 表(biǎo)現出(chū)誘人(rén)的應用(yòng)前(qián)景。隨著眾(zhòng)多在多(duō)層結(jié)構設計，熱(rè)流開關，新製冷(lěng)材料(liào)的不(bù)斷(duàn)開拓, 製(zhì)備(bèi)可(kě)實(shí)用(yòng)化的製冷器件指日可(kě)待(dài)。