基于组分梯度多层电容器结构的绿色制冷材料

The high-efficiency cooling materials and technologies, based on the electrocaloric effect, are the inevitable trend of the technological development and the social progress. Attributing to the major demands on the flexible electrocaloric materials for the intelligent and wearable cooling devices, the series of studies about nanocomposites with the composition gradient multilayer capacitor configuration will be carried on in this project: (1) The exploration and the fabrication of the nanocomposites: based on the Maxwell equations and Landau-Devonshire thermodynamic model, the microstructure of nano additives will be designed and then the flexible electrocaloric nanocomposites with the wide temperature range and the excellent cooling effect will be investigated. (2) The structural design and the interfacial optimization: the composition gradient multilayer capacitor configuration, which is favorable for the low working voltage and large effective cooling mass, will be prepared subsequently. Moreover, the relationship between the microstructure and the electrocaloric effect will be discussed. (3) The assembly of the green cooling prototype: to obtain the intelligent, portable, integrated cooling devices, with the help of the logic circuit, the flexible multilayers will be used both for the cooling and the heat conduction. Through the research of this project, we will illustrate the mechanism of the electrocaloric effect and the structures of this system, which will provide the scientific support for the design of the green cooling devices.

基于电卡效应的绿色制冷材料及其器件的设计开发是社会发展和科技进步的必然趋势，是材料研究领域的科学前沿。本项目面向智能化、可穿戴的制冷器件对柔性电卡材料的需求，针对组分梯度多层电容器结构的纳米复合绿色制冷材料展开研究。主要包括：（1）纳米功能基元的选择和合成：通过介电铁电和电卡性能的评测，结合Maxwell公式和Landau-Devonshire热动力学理论，设计纳米添加物微结构，获得柔性材料制冷性能的大幅提升；（2）结构设计和表面界面优化：组装组分梯度多层电容器结构，获得工作电压低且制冷有效质量大的构型，并讨论序构对电卡效应的调控性；（3）绿色制冷原型器件的组装：结合电路设计，使柔性多层膜同时用作制冷元件和散热元件，实现器件的智能化、一体化和便携化。通过本项目的研究，可望从物理-材料角度阐明该体系电卡性能与结构设计的规律性，为绿色制冷器件关键部件的设计方法提供理论指导和实验基础。

在碳中和背景下，我们亟需绿色环保的制冷材料和器件。新型的电卡效应制冷方式，是通过电场调控体系熵变以达到制冷的效果，整个过程节能环保高效可循环，符合“双碳”目标对新材料和新器件的需求。本项目从材料选择、结构设计、组分序构的纳米功能基元构筑三个方面展开研究，实现了传统材料体系电卡性能的显著提升，为绿色制冷器件的构筑提供了新的思路和方向。首先，通过元素掺杂、多元共混等方式，获得了高性能的Ba(Zr, Ti)O3和(Bi, Na)TiO3基电卡材料，其电卡系数高于4 K mm/kV，在该领域处于高水平，并获得了材料晶格、电畴、纳米极性微区等纳米功能基元和极性结构在外场下的响应规律；其次，基于上述材料，设计了组分梯度序构的多层电容器结构（MLCs），进一步提升电卡响应，并结合模型和实验分析了结构设计的有效性和作用机制，从结构设计角度给出了进一步提升制冷效果、降低使用电压的新方法；第三，基于上述电卡材料选择和组分梯度序构MLCs结构设计，进一步设计了纳米功能基元——组分梯度序构的纳米核壳包覆结构，通过微结构设计，电卡效应得到显著提高，比不做组分梯度核壳微结构设计的纳米陶瓷材料的电卡效应提升了近50%。这一系列研究工作，为可实用的电卡材料设计提供了有效的途径，并将电卡制冷材料向实用型器件推进。