在热释电晶体中,有一亚类称为铁电体,其电极化强度与外加电场之间存在 电滞回线关系。 图 2 是铁电体的典型电滞回线。 在图 2 中,在等温条件下,随着外 加电场强度的增加 , 极化强度也逐渐增加 , 由非线性到线性 , 即图 2 中的曲线 o-a-b-c;当电场强度从 c 处开始减少至 0(o 点),并进一步加反向电场时,极化强 度的变化为图 2 中的曲线 c-b-d-f-g;当反向电场重新下降并改变其方向时,则和 前述的过程相似,经由曲线 g-h 返回到 c 点,完成整个电滞回线循环,即图 2 中的 c-d-g-h-c。
热释电转换
当一些晶体受热时,在晶体两端将会产生数量相等而符号相反的电荷 ,这种 由于热变化产生的电极化现象,被称为热释电效应。 目前,已发现的热释电材料可分成三类:(1)单晶材料,例如:硫酸三甘肽(TGS) 或铌酸锂;(2)陶瓷材料,例如:锆钛酸铅(PZT)和钛酸铅;(3)高分子薄膜材料,如: 聚偏二氟乙烯。 这三类材料中,性能最好的是陶瓷材料。 它的居里点高,自发极化 强度高,能大批量生产,成本低。
图 1. 热释电效应的工作原理
若 dt 时间内,热释电材料吸收热辐射,温度变化 dΔ T,极化强度变化 dP,则材 料的电流密度为 J = dP/dT ∙ d∆T/dt (1)
其中 dP/dT 称热电系数,用 p 来表示.dΔ T/dt 为温度变化率.热释电材料的
自极化强度与温度有关。
2、 热释电转换循环原理
图 2. 铁电体的典型电滞回线
热释电材料(铁电体)的电滞回线是温度的函数。在较低温度下,电滞回线表 现为较高的非线性,随着温度的升高则趋于线性。 只要保持等温条件,随着施加电 场的周期变化,电滞回线循环总是逆时针方向的,并且发生电能转化为热量的情 况,但如果将等温条件的限制移去,并将 2 个不同温度下的电滞回线重叠,则有可 能倒转电滞回线的方向,构成一个‘热生电’的回线。图 3 表示由 Olsen 等人提 出的热电转换循环。如图 3 所示,2 个不同温度下的电滞回线重叠在一起,循环 a-b-c-d-a 由处于高压、低温的 a 点开始。在外部高电压(电场强度)的作用下, 当热释电材料(如薄膜)的温度升高时,放电过程(a-b)发生。在高温下,外部高电
பைடு நூலகம்
1、 热释电效应的工作原理
介质材料中存在不同的电偶极矩,由于分子间正负电荷中心不重合而产生的 偶极矩称固有电偶极矩。 具有这种偶极矩的材料叫热释电材料。 热释电效应只能 发生在不具有中心对称的晶体材料中。热释电材料同普通的热电材料不同,它们 有自极化效应,即使在没有外电场的情况下,也存在电偶极矩。 热释电材料当温度 不变时,晶体表面的电荷被来自外部的自由电荷中和。 晶体温度变化越大,极化强 度变化就越大,表示大量的电荷聚集在电极。 热释电效应的形成原理如图 1 所示。
图 4 给出了用于奥尔森循环的实验系统示意和简化的测量电路图。 在系统中, 冷、热水交替地流过热释电薄膜,完成温度的循环过程;与此同时,外部电压施加 于热释电薄膜并在高、 低压之间作与温度循环同步的转换,由此实现奥尔森循环。 电路包括电源、 电压输出转换以及测量部分。流过热释电薄膜的电流可以通过电 阻 R1 直接测得,流过负载 Rl 的电流则通过电阻 R2 直接测得。电阻 Rd 为分压电 阻,用以保护测量通道。本文采用一套计算机数据采集系统来检测热释电的转换 过程。 通过机械压制的方法,在 200℃左右的温度下,将小球状的材料压制成厚度 约为 40μ m 的热释电薄膜。采用真空度膜的方法,使热释电薄膜的两面镀上厚约 0·5μ m 的铝膜,将它们作为电压的输入电极。采用导热胶带、电绝缘胶带以及 薄铜皮等材料将热释电薄膜封包 , 成为实验用的热释电薄膜 , 其有效面积为 10 cm2(即铝膜面积)。 为了提高热释电效应,正式实验前对热释电薄膜在一定的高温 和电压下进行极化处理。
压降到低电压,放电过程(b-c)进一步发生。在低电压下,当热释电材料的温度降 低,则充电过程(c-d)发生。继续升高外部电压,进一步的充电过程(d-a)发生,至 此热电转换循环 a-b-c-d-a 完成。其中阴影面积代表了净的电能输出。本文将这 一热电转换循环称为奥尔森(Olsen)循环。
图 3. 奥尔森循环示意图
图 4. 实验系统的示意和简化的测量电路图 在测量电路图 3 中,可以将热释电薄膜看作是一个电流源。对于负载 Rl,实 际的电压源起到保持施加电压的作用,而热释电薄膜则提供电流。在热释电电流 足够大时,显然负载所需的功率必来源于热释电薄膜,即转换来的热量。 通常热释电材料(铁电体)存在一个临界温度,即居里温度。当其温度超过居 里温度时,则发生相变,由铁电相变为非铁电相,自发极化也便消失了。有研究表 明,热释电材料共聚物的相变温度与施加的电场强度有关,会随着电场强度的增 强而提高。 因此,在实际的热释电循环中,热释电材料经历低电压和高温度时有可 能失去自发极化。如何匹配低端电压,以避免在高温时热释电材料失去自发极化 是实现连续热释电转换循环的关键。 适宜的工况条件应使得热释电材料在循环中避免失去自发极化。 施加电压对 热释电电流和热释电转换输出的电能密度都有较大的影响。 在相同的温度范围和 变化率下,随着施加电压的增加,热释电电流增大。提高低端电压和高、低端压差 有利于增加输出的电能密度。 这种热释电转换将在低温余热动力回收领域具有可 能的应用前景。