Odsečni seminarji

J2-7526

 

 

   

Financer projekta

Javna agencija za raziskovalno dejavnost Republike Slovenije

Koda

J2-7526

Naslov projekta

Multifunkcijski materiali za aktuatorske in hladilne naprave

Vodja

Doc. dr. Rojac Tadej

Prijavitelj - naziv organizacije

Institut "Jožef Stefan"

Trajanje projekta

01. 01. 2016 - 31. 12. 2018

Cenovni razred

C

Financiranje

2774 ur letno

Raziskovalna skupina

Raziskovalci

Partnerji

Organizacije

 

O projektu:

Z vidika porabe električne energije, ogrevanja in hlajenja postaja družba vse bolj zahtevna in potrošniška. Shranjevanje, pretvorba, dobava in poraba energije so zato prioritete na globalni ravni. V bližnji prihodnosti pričakujemo stroge ukrepe tako v Evropi kot širše v svetu, kar ustvarja vse večji pritisk na temeljne in aplikativne raziskave funkcijskih materialov.

Večfunkcijski materiali, pogosto imenovani kot »multiferoiki«, so že utrdili svoje mesto v elektroniki in mikroelektroniki. Tovrstni materiali so tudi piezoelektrični, sposobni so torej pretvoriti električno energijo v mehansko in obratno. Piezoelektričnost izkoriščamo v številnih aplikacijah, kot so senzorji, aktuatorji in ultrazvočni pretvorniki; omenjene aplikacije se pojavljajo tako v energetiki, kot v avtomobilski in letalski industriji ter medicini.

V zadnjih 50 letih smo na trgu piezoelektričnih materialov priča prevladi enega materiala, to je Pb(Zr,Ti)O3 (PZT). Obstaja sicer še ena skupina materialov, to so t.i. relaksorski feroelektriki, ki so z vidika piezoelektričnega odziva še bolj učinkoviti kot PZT. Predstavnik omenjene skupine materialov je trdna raztopina Pb(Mg1/3Nb2/3)O3–PbTiO3 (PMN-PT). Sestava ob morfotropni fazni meji (ang. MPB), 0.65PMN-0.35PT, izkazuje izjemne piezoelektrične lastnosti, na primer, piezoelektrični koeficient v keramiki doseže tudi 700 pC/N (J. Kelly et al., J. Am. Ceram. Soc. 80, 957–964, 1997). Po drugi strani je PMN (brez PT) tipični relaksor z visokim elektrostrikcijskim odzivom (G. Trefalt et al., J. Am. Ceram. Soc. 94, 2846–2856, 2011).

Poleg omenjenih elektromehanskih (EM) lastnosti, se na relaksorskih feroelektrikih vse bolj pojavljajo študije, ki obravnavajo njihove elektro-termične lastnosti, kot je elektrokalorični (EK) pojav. Pri EK pojavu gre za reverzibilno spremembo temperature materiala v adiabatnih pogojih, ki jo induciramo tako, da materialu vzpostavimo visoko električno polje. Dokazali so, da kompleksni perovskitni materiali izkazujejo visoke EK spremembe temperature; na primer, PMN-PT je izkazal spremembo ~3 K pri polju 90 kV/cm (B. Rožič et al., J. Appl. Phys. 110, 064118, 2011). Gre za eno najvišjih izmerjenih vrednosti za volumensko keramiko.

Izbrane sestave PMN-PT izkazujejo tako izjemne piezoelektrični in/ali elektrostrikcijske lastnosti kot tudi visok elektrokalorični odziv. Možnost uporabe teh dveh lastnosti hkrati pa do sedaj še niso preučili. Cilj projekta je pripraviti aktuatorske elemente na osnovi PMN-PT, ki bodo sočasno izkoriščali tako EM kot EK pojav.

Schematics of the refrigeration cycle using cantilever elements exhibiting both an EC and EM (piezoelectric) response

V prvem delu projekta bomo najprej pripravili keramiko PMN-PT različnih sestav in velikosti zrn. To nam bo omogočilo, da preučimo vrsto keramičnih vzorcev od relaksorskih do feroelektričnih sestav. Poudarek bo na razumevanju soodvisnosti med lastnostmi na lokalnem (nanometrskem in atomskem) in makroskopskem nivoju. Študije bodo omogočile: (i) razumevanje osnovnih pojavov, kot so električna prevodnost in dinamika domenskih sten in točkovnih defektov, na lokalnem nivoju ter njihov vpliv na makroskopske EM in EK odzive, (ii) izbor PMN-PT sestav z najboljšim funkcijskim odzivom, ki jih bomo uporabili v drugi fazi projekta.

Cilj drugega dela projekta je preveriti koncept večfunkcijskega delovanja EM in EK elementov in ustvariti raziskovalno ozadje za aktuatorske/hladilne sisteme in naprave. Iz izbranih sestav PMN-PT bomo pripravili enostavne strukture (recimo ročice; ang. cantilevers), ki bodo izkoriščale tako EM kot EK lastnosti projektnih sestav. Načrtovanje in optimizacijo teh elementov bomo podprli z numerično analizo (metoda končnih elementov).

Če povzamemo, je naš namen, da bomo na osnovi mikroskopskih in makroskopskih meritev materialov razumeli sklopitev EM in EK lastnosti ter nadalje uporabili to znanje za pripravo in optimizacijo večfunkcijskih elementov.

Faze projekta:

Reference:

Coupling of the electrocaloric and electromechanical effects for solid-state refrigeration

 

 

 

Iz sveta K5

Kontaktni podatki

Vodja odseka:
prof. dr. Barbara Malič

Tajništvo:
Tina Ručigaj

T: 01 477 3828
F: 01 477 3887
E: tina.rucigaj@ijs.si