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利用多铁材料的多热效应来进行固态加热 | MDPI Magnetochemistry |
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论文标题：Solid-State Heating Using the Multicaloric Effect in Multiferroics（利用多铁材料的多热效应来进行固态加热）
期刊：Magnetochemistry
作者：Melvin M. Vopson, Yuri K. Fetisov and Ian Hepburn
发表时间：24 November 2021
DOI：10.3390/magnetochemistry7120154
微信链接：
https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=Mzg5MzU5MDkwMg==&mid=2247504837&idx=1&sn=ac02fc
160fcd2b5f121e3cd3b6ab22bb&chksm=c02e1fdcf75996ca9b56021a03d5912f4fd6bc505955a9ec
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期刊链接：
https://www.mdpi.com/journal/magnetochemistry
文章导读
多热效应的定义为：在外加电场或磁场的作用下，多铁材料发生的绝热可逆温度变化。多铁质材料中的多热效应以及其他在单铁材料中类似的热效应，如磁热、弹性热、气压热和电热，由于其在固态制冷领域的商业化潜力，已经成为许多研究的焦点。来自朴茨茅斯大学的Melvin M. Vopson教授团队最近在Magnetochemistry期刊发表了一篇利用多铁材料的多热效应来进行固态加热的通信文章。他们提出了一种热力学多铁热加热循环假设，然后对已知的电热系统进行固态加热效应的估算，应用热量和多热效应，为实现高效供暖提出了一种新路径，并对多热冷却或加热效应中温度变化的上限值进行了理论估算。
研究内容
固态热效应表现为：在特定的物理系统中，对内部或外部变量的绝热化响应，如体积、应变、磁化或极化。温度变化可以是加热或冷却，具体变化取决于施加的激励源顺序：即施加或移除特定的控制参数。事实上，人们对固态磁热和电热冷却特别感兴趣，因为它们能够提供无振动、低噪音、高效和环保的友好制冷，包括室温制冷和超低温[1]。开发固态制冷技术吸引人们关注的另一个原因是：能够将制冷装置集成到电子和微电子元件中[2]。
多铁材料多热效应的提出
最初，多铁材料的多热效应是根据热力学的理论方法引入的。假设一种多铁固体含有电有序相和磁有序相，微分吉布斯自由能是dG = −S•dT − M•dH − P•dE，其中S是熵，M是磁化强度，P是系统的极化。在该假设下，系统对多铁性材料表现出线性磁电效应特性，其在数学上是由α耦合系数定义的，(∂M/∂E)T,H = (∂P/∂H)T,E = α。然后，在给定的多铁体系中，电和磁诱导的多热效应表示为[3]：
公式 (1)。公式 (1) 的推导请见文献[3,4]。
其中，μ0为真空磁导率，ε0为真空的介电常数，C为系统每单位体积的比热容，C = T(∂S/∂T)H,E，χm、χe分别为磁相和极性相的磁化率。
由公式 (1) 可知，单一的激发场可以引起完全的多热效应。如果用电场来引发这种效应，则只有式 (1a) 适用；而如果用磁场来驱动热过程，则只有式 (1b) 适用。因此，单一的激发可产生多个热量反应，即多热反应。这种效应与普通的铁系统有很大不同，在普通铁系统中，一个单一的激发只能引起一个单一的热量响应。
理想系统进行固态加热效应的估算
为了突出潜在的加热应用，作者研究了一个理想的加热系统，包括电热材料PbSc0.5Ta0.5 O3 (PST)。根据Nair等人报道的数据[5]，系统在10 ℃和60 ℃ (在图1d中分别由TA和TB表示) 下构建了一个理想化的模型，探讨潜在产出加热功率、电输入功率以及由此产生的性能系数 (CoP)。PST是目前已知的典型电热材料，在电场为15.8 V µm−1，温度变化很低，305 K下最大值的变化值约为4 K。为了增加TA点和TB点之间的温差 (图1d)，作者还使用了13 PST多层系统。热输出功率和电气输入功率如图2所示。性能系数，即输出功率与输入功率之差，约为3，效率达到~300%。这一结果突出了高效率/CoP，因为它能够从系统的低温端提取热量，就像热泵从其周围环境中吸取热量一样。
图1. 固态多热效应的冷却 (a,b改编自文献[6]) 和加热循环图。(a) 四个阶段的冷却循环示意图；(b) 相应的Brayton冷却循环；(c) 三级加热循环示意图；(d) 相应的热力加热循环。
图2. 理想电热加热器的热输出功率和电输入功率。
总结
本文的目的是基于多铁材料中多热效应的新概念，重新强调固态制冷的基本原理，并提出这种效应在固态加热和制冷中可能的新应用。从理论上讲，加热和冷却都有望实现超高效的温度变化，预计每循环的冷却/加热速率是电热或磁热材料的两倍。因此，作者希望这项工作将激发实验和商业兴趣，促进基于多热效应的固态冷却和固态加热技术的发展。
参考文献
1. Bartlett, J.; Hardy, G.; Hepburn, I.D.; Brockley-Blatt, C.; Coker, P.; Crofts, E.; Winter, B.; Milward, S.; Stafford-Allen, R.; Brownhill, M.; et al. Improved performance of an engineering model cryogen free double adiabatic de-magnetization refrigerator. Cryogenics 2010, 50, 582–590.
2. Shakouri, A.; Zhang, Y. On-chip solid-state cooling for integrated circuits using thin-film microrefrigerators. IEEE Trans. Components Packag. Technol. 2005, 28, 65–69.
3. Vopson, M.M. The multicaloric effect in multiferroic materials. Solid State Commun. 2012, 152, 2067–2070.
4. Vopson, M.M. Theory of giant-caloric effects in multiferroic materials. J. Phys. D Appl. Phys. 2013, 46, 345304.
5. Nair, B.; Usui, T.; Crossley, S.; Kurdi, S.; Guzmán-Verri, G.G.; Moya, X.; Hirose, S.; Mathur, N.D. Large electrocaloric effects in oxide multi-layer capacitors over a wide temperature range. Nature 2019, 575, 468–472.
6. Vopson, M.M. The multicaloric effect in multiferroic materials. Solid State Commun. 2012, 152, 2067–2070.
原文出自Magnetochemistry期刊
Vopson, M.M.; Fetisov, Y.K.; Hepburn, I. Solid-State Heating Using the Multicaloric Effect in Multiferroics. Magnetochemistry 2021, 7, 154.
Magnetochemistry期刊简介
主编：Carlos J. Gómez García, Universidad de Valencia, Spain
期刊主要覆盖磁性的所有领域，特别关注磁性材料的设计、合成、表征及其结构和性质关系的研究。
2020 Impact Factor: 2.193
2020 CiteScore: 2.313
Time to First Decision: 12.3 Days
Time to Publication: 38 Days
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