REPOZITORIJ > REZULTATI

Povzetek

Tehnologije hlajenja v trdnem stanju so deležne vse večje pozornosti kot primerne alternative običajnim hladilnim sistemom na osnovi parne kompresije. V zadnjih letih je bil dosežen pomemben raziskovalni napredek na področju trdnih kaloričnih materialov za bodoče hladilne sisteme. V iskanju izboljšanih kaloričnih odzivov pri sobni temperaturi so v središču raziskav tudi večkalorični materiali. Doslej še ni bilo poročano o elektrokalorično-magnetokaloričnih kompozitih, ki bi pri sobni temperaturi izkazovali oba pojava. Zato je osrednji del disertacije namenjen prav tej temi, in sicer razvoju in karakterizaciji debeloplastnih kompozitov 0,9Pb(Mg1/3Nb2/3)O3–0,1PbTiO3/LaFeSiCo (PMN–10PT/LFSC), pripravljenih z metodo nanosa v aerosolu (AD).
Za boljše razumevanje lastnosti kompozitov, pripravljenih z AD, smo delo pričeli s študijo nekaloričnih keramično-kovinskih plasti. Pripravljene so bile kompozitne plasti z različnimi volumenskimi deleži aluminija. Dielektričnost debele plasti Al2O3 je znašala približno 12, medtem ko so kompozitne plasti s 27 vol. % aluminija dosegle vrednosti do približno 800. Do 15 vol. % aluminija je bilo opaženo povečanje dielektričnosti brez znatnega povečanja izgub. Naši rezultati kažejo, da je mogoče pripraviti kompozite z izboljšanimi električnimi lastnostmi že pri nizki vsebnosti kovinske faze.
Dosedanja literatura o uporabi tehnik direktne karakterizacije kaloričnih odzivov, vključno z meritvami s termistorjem v kalorimetru in metodo infrardeče kamere, se večinoma osredotoča na volumenske vzorce. Pri plasteh vpliv toplotnih izgub v podlago in vpliv črne prevleke, ki je potrebna za meritve s toplotno kamero, ostaja precej neraziskan. Zato smo z numeričnim modeliranjem določili kriterije za doseganje maksimalnega merilnega odziva. Kot osnovni pogoj se je izkazalo, da mora biti toplotna efuzivnost podlage ≤ 3 kW s1/2 m-2 K-1 oziroma njena toplotna prevodnost ≤ 1 W m-1 K-1. Na podlagi opredeljenih kriterijev je bil poliimid izbran kot primerna podlaga za pripravo večkaloričnih debelih plasti. Nadalje so simulacije pokazale, da mora biti debelina kalorične plasti najmanj 5 μm. Tako se namreč doseže maksimalni merilni odziv pri karakterizaciji z infrardečo kamero. Nasprotno pa debelina črne prevleke ne sme presegati te vrednosti. Zato smo razvili metodo nanašanja črne prevleke z zračnim čopičem (ang. airbrush), ki je cenovno ugodna metoda in omogoča tanek nanos debeline do ~3 μm.
V zadnjem delu raziskave smo na poliimidne podlage z metodo AD uspešno nanesli kompozitne debele plasti PMN–10PT/LFSC. Plasti so bile sestavljene iz elektrokalorične faze PMN–10PT in 2 mas. % magnetokalorične zlitine LFSC. Pri sobni temperaturi je elektrokalorični odziv kompozitov znašal 0,45 K pri električnem polju 250 kV cm⁻¹, medtem ko je bil za plasti PMN–10PT odziv le 0,35 K. Zaradi vsebnosti kovinskih delcev se je torej elektrokalorični odziv kompozitnih plasti izboljšal za 32 %. Pri sobni temperaturi smo neposredno izmerili tudi magnetokalorični odziv kompozitnih plasti. Po upoštevanju ustreznih popravkov je bil dosežen magnetokalorični odziv ~1,4 K pri 2 T. S tem smo pokazali, da je mogoče pripraviti večkalorične kompozite, ki pri sobni temperaturi izkazujejo oba kalorična odziva. Rezultati prinašajo nove vpoglede v razvoj večkaloričnih kompozitnih sistemov in odpirajo nove možnosti za razvoj alternativnih tehnologij hlajenja.