REPOZITORIJ > REZULTATI

Povzetek

V času industrijske revolucije so opazili, da fluidi ob uparitvi hladijo okolico, kar je bil
prvi korak k razvoju umetnega hlajenja. Nazoren prikaz pomembnosti umetnega hlajenja
so študije, ki kažejo vpliv na demografsko politiko in rast novih naselbin sveta. Kot omenjeno,
parno-kompresijsko hlajenje je v uporabi že več kot dvesto let, kar pomeni, da so
se potrebe v svetu v tem času drastično spremenile; nove tehnologije zahtevajo specialne
načine hlajenja.
V sklopu doktorskega dela smo poskušali slediti ideji, ki so jo leta 2007 predstavili
Mischenko in sodelavci. Pokazali so, da določene dielektrične trdnine izkazujejo velik
potencial za učinkovito hlajenje. Določeni dielektriki ob pritisnjenem električnem polju
namreč izkazujejo spremembo temperature, kar imenujemo elektrokalorični (EK) pojav.
Kljub precejšnji evforiji pri iskanju novih materialov z visokim EK odzivom po desetih
letih aktivnega dela na področju še vedno ni komercialnih EK hladilnikov.
V delu bomo predstavili EK napravo, ki temelji na večfunkcijskih ročicah (ang. cantilevers).
Večfunkcijske ročice so zložene v kaskado in ob pritisnjenem električnem polju
istočasno spremenijo temperaturo in se upognejo. Z numeričnim modeliranjem smo analizirali
napravo in pokazali njeno smiselnost. Rezultati so pokazali, da bi naprava lahko
ojačala temperaturne spremembe za večkrat v primerjavi s temperaturno spremembo merjeno
v eni sami ročici. Z modeliranjem smo raziskovali tudi omejitve naprave, najbolj
kritični so zagotovo termični stiki med posameznimi elementi v napravi. Sestave v sistemu
(1-x)Pb(Mg1=3Nb2=3)O3-xPbTiO3 (PMN-100xPT) v literaturi povezujejo z visokimi EK
in elektromehanskimi odzivi. V omenjenem sistemu smo zato izbrali šest sestav (x = 0,
0,1, 0,2, 0,3, 0,35, 0,4), keramiko sintetizirali in jo nato podrobneje analizirali. Narava posameznih
keramičnih sestav je mejila od čistega relaksorja (PMN; x=0) do feroelekitrčnih
sestav (x > 0.35), kar se je odražalo v njihovih električnih, termičnih, elektromehanskih
in EK lastnostih. Glede na izmerjene lastnosti smo s funkcijo cenilko izbrali optimalno
sestavo. Izkazalo se je, da je relaksor PMN najbolj primeren material za integracijo v EK
hladilnik. PMN kot optimalen material za dielektrično hlajenje smo nadalje testirali pod
pogoji pričakovanimi v hladilni napravi. PMN smo vzbujali ciklično in spremljali njegov
temperaturni odziv, ki je kazal izrazito utrujanje materiala. Utrujanje se je izkazovalo kot
pretvorba v superkritično feroelektrično stanje, ki je bilo obenem gonilna sila za migracijo
točkastih defektov na meje zrn. Kopičenje defektov na mejah zrn je povečalo električno prevodnost
materiala. Na podlagi meritev EK odzivnosti materiala smo konstruirali diagram
električno polje - temperatura (E-T diagram), iz katerega so razvidne fazne transformacije
materiala. S pomočjo diagrama lahko določimo pogoje, kjer se izognemo nastanku
feroelektrične faze med ciklanjem in posledično utrujanju.
Nazadnje smo PMN izdelali v obliki ročic in jih sestavili v konceptualno hladilno napravo.
Pokazali smo, da je prenos toplote med posameznimi elementi mogoč in da temperaturna
razlika v napravi narašča s številom elementov, vendar ne v zadostni meri za
učinkovito hlajenje. V bodoče bo za učinkovito delovanje predlagane naprave potrebno
izboljšati termične kontakte med elementi.