Исследователи из Китая показали, что приложение деформации к композитному материалу с помощью электрического поля вызывает сильный и обратимый калорический эффект. Этот новый способ усиления теплового эффекта без магнитного поля может открыть новые возможности твердотельного охлаждения и привести к созданию более энергоэффективных и легких холодильников.
По оценкам Международного института холода, 20% Вся электроэнергия, используемая в мире, расходуется на охлаждение с помощью сжатия пара – технологию, используемую в обычных холодильниках и кондиционерах. Более того, хладагенты, используемые в этих системах, представляют собой мощные парниковые газы, которые внести значительный вклад в глобальное потепление. В результате ученые пытаются разработать более экологически чистые холодильные системы.
Системы охлаждения также могут быть изготовлены из полностью твердотельных систем, но в настоящее время они не могут конкурировать с компрессией пара в большинстве основных приложений. Сегодня в большинстве коммерческих твердотельных систем охлаждения используется эффект Пельтье — термоэлектрический процесс, который отличается высокой стоимостью и низкой эффективностью.
Внешние поля
Твердотельные системы охлаждения на основе калорийных материалов обеспечивают как высокую эффективность охлаждения, так и нулевые выбросы парниковых газов и становятся многообещающими кандидатами на замену технологии сжатия пара. В этих системах в качестве хладагента используется твердый материал, который под воздействием внешнего поля (электрического, магнитного, напряжения или давления) претерпевает изменение температуры – явление, называемое калорическим эффектом.
До сих пор большинство исследований твердотельных систем охлаждения калорий было сосредоточено на магнитных хладагентах. Однако практические хладагенты должны проявлять значительный калорийный эффект вблизи комнатной температуры, и такие материалы обычно трудно найти. Одним из потенциальных материалов является Mn.3SnC, который проявляет значительный калорический эффект при воздействии магнитных полей более 2 Тл. Но использование такого сильного магнитного поля требует использования дорогих и громоздких магнитов, что непрактично.
Теперь, Пэн Ву и коллеги из Шанхайского технологического университета, Шанхайского института микросистем и информационных технологий, Университета Китайской академии наук и Пекинского университета Цзяотун устранили необходимость в магнитах, объединив Mn3Слой SnC с пьезоэлектрическим слоем цирконата-титаната свинца (PZT).
Отказ от магнитов
В серии экспериментов, описанных в Acta Materialia, команда наблюдала обратимый тепловой эффект без необходимости использования магнитного поля. Достигнутое адиабатическое изменение температуры было примерно вдвое больше, чем измеренное для Mn.3SnC в присутствии магнитного поля 3 Тл.
Калорический эффект наблюдался путем приложения к материалу электрического поля, которое вызывает деформацию ЦТС посредством обратного пьезоэлектрического эффекта. Деформация передается со слоя ЦТС на слой Mn.3Слой SnC, что приводит к изменению магнитного упорядочения Mn3SnC. Это вызывает падение температуры в материале до 0.57 К. При снятии электрического поля температура увеличивается на ту же величину.
Ву рассказывает Мир физики что он почерпнул эту идею из микроэлектромеханических систем (МЭМС), которые часто используют для приведения в действие пьезоэлектрические материалы. По словам Ву, использование деформации, опосредованной электрическим полем, может помочь устранить необходимость в дорогостоящих и больших магнитах, создавая более эффективную и устойчивую систему охлаждения.
Сложные измерения
Калорический эффект измеряется либо путем оценки адиабатического изменения температуры, либо изотермического изменения энтропии. Как в промышленности, так и в исследованиях предпочтительным методом является изменение температуры. Хотя это простой эксперимент для чистых сыпучих материалов, его чрезвычайно сложно провести для композитного материала на основе устройства, находящегося под действием электрического поля.
«Колоссальный эластокалорический эффект» может привести к созданию более качественных холодильников
Для проведения измерений Ву и его коллеги использовали систему, оснащенную датчиком термопары, прикрепленным к Mn.3Поверхность SnC в адиабатической среде с точно контролируемыми магнитным полем и температурой.
Чтобы оценить точность своей измерительной системы, исследователи провели несколько измерений магнитокалорического эффекта в диапазоне температур 275–290 К. Им удалось отслеживать изменения температуры до 0.03 К, тем самым проверив температурную способность системы с высоким разрешением.
Ву считает, что работа команды является прорывом в прямом измерении изменения температуры, учитывая проблему адиабатического измерения температуры при подаче напряжения на PZT. Он добавляет: «Такой подход к измерению температуры может быть полезен для других термоэлектронных устройств». Однако Ву подчеркивает, что «система не является полностью адиабатической; это может привести к потерям тепла, поэтому необходимы дальнейшие улучшения для любых измерений тепла».
Интересно и необъяснимо
Команда также наблюдала некоторые очень интересные и неожиданные явления во время измерения температуры. «Независимо от того, прикладываете ли вы положительное или отрицательное электрическое поле, температура поверхности Mn3SnC всегда уменьшается», — говорит Ву. Исследователи также обнаружили, что при приложении магнитного поля к композиту температура поверхности Mn3SnC повышается, тогда как приложение электрического поля приводит к обратному эффекту и вызывает снижение температуры. Ву говорит, что команда еще не понимает этих наблюдений.
Теперь исследователи стремятся изучить физику, лежащую в основе контрастного поведения Mn.3SnC/PZT в магнитных и электрических полях. Для дальнейшего совершенствования системы измерения температуры также пытаются решить проблему потерь тепла.
