REPOZITORIJ > REZULTATI

Povzetek

Tehnologija hlajenja na osnovi hladilnih elementov v trdnem stanju, ki izkazujejo kalorični učinek, predstavlja obetavno alternativo za zamenjavo energijsko manj učinkovite in okolju neprijazne parno-kompresijske tehnologije. Poleg tega se lahko uporablja na področjih, kjer parno-kompresijske tehnologije ni mogoče uporabiti, to je hlajenje majhnih elektronskih naprav in njihovih komponent. Med bolj razširjene ter dobro raziskane kalorične pojave uvrščamo elektrokalorični (EK) in magnetokalorični (MK) učinek, ki pa v večini primerov izkazujeta relativno nizke hladilne učinke. Poleg tega so njune maksimalne vrednosti omejene na ozka temperaturna območja, kar omejuje njihovo komercialno uporabo. Ena izmed rešitev tega problema je združitev EK in MK učinkov v istem multikaloričnemu materialu, kar lahko izboljša hladilno zmogljivost hladilne naprave oz. razširi njeno temperaturno območje delovanja.
V prvem sklopu doktorskega dela smo s pomočjo mehanokemijske sinteze in sledečim sintranjem uspešno pripravili enofazno Pb(Fe0.5Nb0.5)O3 (PFN) keramiko, ki združuje EK in MK lastnosti. Z optimizacijo pogojev sintranja smo znižali električno prevodnost materiala, ki doseže najnižjo vrednost (~7·10−12 Ω−1m−1) v keramiki, sintrani pri 1000 °C. V tem vzorcu je bila izmerjena najvišja vrednost EK učinka ~0,9 °C pri 28 °C in 100 kV·cm−1 ter dosežen največji magnetokalorični učinek ~0,1 °C pri −271 °C in 50 kOe. EK in MK lastnosti PFN keramike so bile nadalje izboljšane z dodatkom mangana. Dodatek mangana namreč uspešno zavira visoko električno prevodnost pri višjih temperaturah, kar vodi do dobrih EK lastnosti, ki dosežejo maksimalno vrednost EK učinka ~2,5 °C pri 80 °C in 140 kV·cm−1. Hkrati se izboljšajo tudi MK lastnosti materiala, kar pripelje do višje maksimalne vrednosti MK učinka ~0,4 °C pri −271 °C in 50 kOe. Kljub obetavnemu EK učinku pripravljenega materiala so njegove najvišje vrednosti MK učinka še vedno premajhne za uporabo v hladilnih sistemih.
V drugem sklopu doktorskega dela smo spreminjali feroične lastnosti PFN keramike z dodatkom multiferoičnega BiFeO3 (BFO). Z uporabo mehanokemijske sinteze, ki ji je sledilo sintranje, smo uspešno pripravili sedem enofaznih PFN–100xBFO (x = 0–0,5) trdnih raztopin. Ugotovili smo, da se s postopnim povečevanjem vsebnosti BFO temperatura vrha dielektrične konstante PFN–100xBFO trdnih raztopin najprej zniža (doseže sobno temperaturo pri x = 0,2), medtem ko se pri višjih vsebnostih dodanega BFO (x > 0,2) le-ta poviša ter doseže ~200 °C v PFN–50BFO. Uvajanje BFO v PFN–100xBFO trdno raztopino vodi do tvorbe psevdokubične faze in okrepi relaksorski značaj pripravljenih materialov. To je bilo razvidno iz širitve vrhov temperaturne odvisnosti dielektrične konstante, zožitve feroelektričnih P–E histereznih zank ter zmanjšanja velikosti feroelektričnih domen v nano-področja. Med pripravljenimi sestavami PFN–20BFO izkazuje nizke feroelektrične histerezne izgube in vrh dielektrične konstante v bližini sobne temperature, kar ga uvršča med obetavne kandidate za multikalorično hlajenje pri sobni temperaturi.
V zadnjem sklopu doktorskega dela smo proučevali multikalorične lastnosti trdnih raztopin na osnovi PFN–BFO. V PFN–20BFO se temperatura, pri kateri se nahaja vrh dielektrične konstante, kot tudi temperatura paramagnetnega-antiferomagnetnega faznega prehoda nahajata v bližini sobne temperature, kar ga uvršča med prve tovrstne enofazne multiferoične materiale. Kljub ugodnemu položaju obeh feroičnih anomalij v bližini sobne temperature povišana električna prevodnost ter šibek magnetni odziv materiala omejujeta njegove EK in MK učinke. Nadaljnja modifikacija PFN–20BFO z dodatkom manganovih in gadolinijevih ionov uspešno zavre prekomerno električno prevodnost ter poveča magnetni odziv, kar vodi do izboljšanja EK kot tudi MK lastnosti materiala. Posledično PFN–20BFO z dodatkom mangana in gadolinija izkazuje zanemarljivo Joulovo gretje vse do 75 °C, EK učinek višji od 1 °C pri sobni temperaturi in 140 kV·cm−1, visok MK učinek nad 3 °C pri kriogenih temperaturah in 50 kOe, ter najvišji MK učinek pri sobni temperaturi med vsemi do sedaj pripravljenimi multikaloričnimi materiali na osnovi PFN.