實驗名稱：電卡制冷器件極化測試

研究方向：近年來，溫室效應所造成的全球變暖極端氣候正逐步威脅著地球生態(tài)和人類生活，也迫使傳統(tǒng)制冷行業(yè)開始探索新的制冷技術?；陔娍ㄐ墓虘B(tài)制冷技術作為一種清潔、高效、驅動方式簡單的新型制冷技術，有望替代傳統(tǒng)蒸氣壓縮式制冷，并應用于電子元件散熱領域。與此同時，在微電子領域，隨著科技水平的不斷進步，用戶對電子設備的微型化、復雜化和輕量化要求逐漸提高，使得芯片上電子元件的尺寸越來越小而集成度越來越高。。磁熱制冷、電卡制冷、彈熱制冷、壓熱制冷技術均可被歸納為基于固態(tài)熱效應(caloriceffect)的制冷技術，即通過外部場強（磁場、電場、應力場）的變化驅動固態(tài)熱材料(caloricmaterial)產(chǎn)生吸熱和放熱的效果，在四種固態(tài)熱效應制冷技術中，電卡制冷技術的核心在于電卡效應(ElectrocaloricEffect,ECE)，即在施加或撤去電場時,極化材料中偶極子的方向在有序與無序之間變換,引起材料的熵變化,由于施加或撤去電場的時間極短,材料存在可逆絕熱溫變值ΔTad或等溫熵變值ΔSiso。電卡制冷一般將絕緣性良好的鐵電材料作為介質，與內電極交替堆疊，形成多層電容型電卡元件。其中，鐵電材料的能量可逆性高、驅動電卡元件的電能也可得到高效回收和重復利用，且目前開發(fā)出的電卡制冷材料大多都具有較為成熟的批量生產(chǎn)工藝。因此，憑借清潔、高效、無污染、易小型化、可集成度高、驅動方式簡單、不涉及二次能量轉化等特點，電卡制冷被認為是一種最有潛力替代蒸氣壓縮式制冷的新型固態(tài)制冷技術。電卡制冷技術的工作原理與磁熱制冷技術相似，共包含兩個絕熱過程和兩個恒定電場傳熱過程，電卡制冷循環(huán)第一步絕熱極化，對電卡材料施加電場E，材料中的電偶極子重新排列，由無序態(tài)變?yōu)橛行驊B(tài)，材料熵減小，溫度升高；第二步，對外散熱，保持電場恒定不變，將電卡材料產(chǎn)生的熱量傳遞至散熱器，進而向外界散熱，溫度逐漸降低；第三步，絕熱去極化，撤去電場E時，其電偶極子由有序態(tài)回歸到混亂無序態(tài)，材料熵增大，溫度進一步降低；第四步，從熱源吸熱，保持無電場的狀態(tài)，電卡材料從熱源吸熱，溫度逐步回升至初始狀態(tài)。通過交替施加和撤去外部電場，循環(huán)誘導電卡材料發(fā)生極化過程和去極化過程，再結合電卡材料與熱源和熱匯之間的交替?zhèn)鳠徇^程，就構成了一個完整的電卡制冷循環(huán)。

實驗目的：驅動電卡材料研究電卡材料在不同極化電壓作用下元件表面產(chǎn)生的最大電卡效應溫升值為后續(xù)實驗做鋪墊

測試設備：信號發(fā)生器、ATA-2041高壓放大器、電卡材料等。

實驗過程：ATA-2041高壓放大器最大可將信號發(fā)生器產(chǎn)生的低壓信號放大60倍，最大輸出電壓為±200V，信號發(fā)生器經(jīng)BNC線輸入高壓放大器進行放大，放大后的高壓直流輸出信號正極與電磁繼電器開關引腳9連接，負極與電卡模塊的一根導電銅絲連接，電卡模塊的另一根導電銅絲與電磁即電器開關引腳5連接。信號發(fā)生器CH2通道產(chǎn)生高電平為6V、低電平為0V的方波信號，經(jīng)由導線一端與引腳13連接，另一端與引腳14連接。由此，通過繼電器開關的控制，電卡模塊上將被施加與繼電器開關同頻率的高壓方波信號。其實驗流程框圖如圖1-1。

圖1-1實驗流程框圖

實驗結果：在室溫條件下，受200V極化電壓和20s周期高壓方波信號作用的電卡元件表面溫度情況如圖1-2所示。在0-20s階段，無任何電壓信號作用于電卡元件，元件表面溫度保持在20℃左右波動；在20s時，高壓方波信號啟動，200V極化電壓開始施加于電卡元件陣列；在20-21.6s階段，電卡元件表面溫度在1.6s內迅速由19.99℃升高至20.52℃，產(chǎn)生0.53℃的電卡效應溫升；在21.6-30s階段，極化電壓依舊施加于電卡元件陣列，但電卡元件開始與環(huán)境散熱，溫度下降至20.27℃；在30s時，200V極化電壓從電卡元件陣列上撤去；在30-31.8s階段，電卡元件表面溫度在1.8s內由20.27℃迅速降低至19.82℃，產(chǎn)生了0.45℃的電卡效應溫降；之后，在31.8-40s階段，電卡元件開始從環(huán)境中吸收熱量，表面溫度回升至20.05℃。

圖1-2在200V極化電壓和20s周期條件下電卡元件表面溫度隨時間的變化

電壓放大器推薦：ATA-2041

圖：ATA-2041高壓放大器指標參數(shù)

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審核編輯 黃宇