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Elektrokalorischer Effekt in bleifreien Relaxorkeramiken

Sanlialp, Mehmet

Heutzutage ist die Nachfrage nach umweltfreundlichen, skalierbaren und effizienten Kühltechnologien rasant angestiegen, die alternativ zu konventionellen Kompressionskühltechnologien mit umweltschädlichen Gasen zum Einsatz kommen sollen. Eine anspruchsvolle Variante ist die Festkörper-Kühltechnologie basierend auf den elektrokalorischen Effekt (electrocaloric effect, Abk.: ECE). Der ECE beschreibt die Eigenschaft von polaren Materialien, die adiabatisch ihre Temperatur bzw. isotherm ihre Entropie ändern, wenn ein elektrisches Feld angelegt oder entfernt wird. In der vorliegenden Arbeit wird insbesondere der ECE in bleifreien Relaxorkeramiken untersucht. Relaxoren sind spezielle Ferroelektrika, die im Gegensatz zu herkömmlichen ferroelektrischen Materialien in der paraelektrischen Phase polare Nanocluster bilden. In der Arbeit wurden zuerst zwei Messmethoden entwickelt, womit der ECE auf direkter Weise einerseits isotherm und andererseits quasi-adiabatisch gemessen werden können. Die Ergebnisse der direkten Messmethoden wurden anschließend gegeneinander und mit der häufig verwendeten indirekten Messmethode auf Basis von Maxwell-Gleichungen verglichen, um die Kompatibilität dieser Messmethoden einzuschätzen. Es wurden hierbei Materialien mit unterschiedlichen Dotierungen des bekannten Bariumtitanat- Systems (Formel: BaTiO3, Abk.: BTO) untersucht, wie Ba(ZrxTi1-x)O3 (BZT), Ba(SnxTi1-x)O3 (BSnT) und (1-x)Ba(Zr0.2Ti0.8)O3–x(Ba0.7Ca0.3)TiO3 (BZT-xBCT). Darüber hinaus wurde der Vergleich des ECE im bleihaltigen System 0.92Pb(Mg1/3Nb2/3)O3–0.08PbTiO3 (PMN-8PT) mit unterschiedlichen Dotierungen hinzugezogen. Im PMN-8PT System wurde der ECE außerdem in Vielschicht-Keramikkondensator Form (multilayer ceramic capacitor, MLC) gemessen. MLC Systeme sind anwendungstechnisch sehr interessant. Sie haben dank dem Aufbau mit mehreren aufeinander liegenden Dickschichten (ca. 50-100 µm dick) die Eigenschaft mit kleinen elektrischen Spannungen (im Vergleich zu Bulk Materialien) akzeptable EC-Werte zu erzielen. Des Weiteren besitzen MLCs im Gegensatz zu einzelnen Dünnschicht-Systemen hohe thermische Massen, was ebenfalls für den thermischen Transport bei möglichen Anwendungen von Bedeutung ist. Bei nahezu allen untersuchten Systemen wurden Maxima des ECE in der Nähe der jeweiligen Phasenumwandlungstemperatur vom ferroelektrischen (FE) in den paraelektrischen (PE) Zustand beobachtet. Dies zeigt, dass durch den feldinduzierten Phasenübergang in der Nähe der Umwandlungstemperatur höhere EC-Entropieänderungen und somit auch höhere EC-Temperaturänderungen erreichbar sind.

Nowadays the demand for environmentally friendly, scalable and efficient cooling technologies has increased rapidly, which should be able to replace conventional vapor-compression refrigeration systems, where hazardous gases are used. A promising alternative is the solid-state refrigeration based on the electrocaloric effect (ECE). The ECE describes the property of polar materials which change their temperature in adiabatic condition or the entropy isothermally, when an electric field is applied or removed. In the present work ECE is investigated in lead-free relaxor ceramics. Relaxors are special ferroelectrics that form polar nanoclusters in contrast to conventional ferroelectric materials in the paraelectric phase. At the beginning, two measurement methods have been developed whereby the ECE can be measured directly on the one hand isothermal and on the other quasi-adiabatic. The results of the direct measurements were compared with each other and with frequently used indirect estimations based on Maxwell relations to judge the compatibility of these measurement methods. Materials with different dopings based on the well-known Bariumtitanate (Formula: BaTiO3 ≙ BTO) system were investigated, such as Ba(ZrxTi1-x)O3 (BZT), Ba(SnxTi1-x)O3 (BSnT) and (1-x)Ba(Zr0.2Ti0.8)O3-x (Ba0.7Ca0.3)TiO3 (BZT-xBCT) systems. In addition, ECE measurements were performed for comparison in lead-containing system 0.92Pb(Mg1/3Nb2/3)O3–0.08PbTiO3 (PMN-8PT) with different dopants. In the PMN-8PT system, EC measurements were also performed in multilayer ceramic capacitor design (MLC). From the technical application point of view MLC systems are very interesting. Due to their structure with several superimposed layers (each layer is 50-100 microns thick) they have the property achieving acceptable EC values by applying small voltages (compared to bulk materials). Furthermore, MLCs possess high thermal capacity in contrast to thin-films, which is also important for the thermal transport for potential applications. In almost all studied systems maxima of the ECE were observed in the vicinity of the phase transition temperature from ferroelectric (FE) to the paraelectric (PE) state. This shows that with the field-induced phase transition larger EC entropy changes and thus also higher EC temperature changes can be achieved in the vicinity of the transition temperature.

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Sanlialp, Mehmet: Elektrokalorischer Effekt in bleifreien Relaxorkeramiken. 2017.

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