电热薄膜的溶液蒸发法制备及性能研究

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电热效应制冷技术是一种很有潜力代替传统蒸汽压缩制冷技术的新型无污染绿色固体制冷技术。电热材料是电热制冷实用的基础,在本研究中使用溶液蒸发法制备P(VDF-TrFE)电热聚合物薄膜,该方法成本低而且简单易操作,适用于实验室制膜。在对制膜工艺以及制备出的薄膜的各项性能进行了研究的同时,根据场协同理论提出了一种新型的电热效应制冷装置方案。主要研究工作和结论如下:(1)研究了不同的制备工艺条件对P(VDF-TrFE)电热薄膜制备的影响,通过对比分析电热薄膜的厚度平均偏差百分比、剩余溶剂比、微观形貌、结晶度等几个方面,最终得到电热薄膜制备的最佳工艺条件。结果表明,在质量浓度为2%~7%,蒸发温度60℃,蒸发时间24 h,退火热处理温度为140℃的工艺条件下,可以制备出厚度在100μm以内,厚度平均偏差百分比在3%左右,剩余溶剂比为6%左右,并且结晶度高,表面微观形貌好的理想P(VDF-TrFE)电热聚合物薄膜。(2)对溶液蒸发法制备的P(VDF-TrFE)电热薄膜的力学性能、电热性能、介电性能和热稳定性能进行了研究分析。电热薄膜的性能研究结果如下:退火温度为140℃时,薄膜内部的β相结晶度最高,极性最大,所以电热性能最好,最大极化强度和剩余极化强度最大值分别为11.02μC?cm-2和6.74μC?cm-2,晶粒充分长大,晶粒堆积更为紧密,使得分子间作用力更强,所以薄膜的弹性模量最大,力学性能最好。随着电场强度的增大,薄膜极化强度相应提升,但当电场强度达到200 MV?m-1时,薄膜的电滞回线已经趋近于饱和状态,继续增大电场强度可能会导致薄膜击穿,所以其工作的电场强度应控制在200 MV?m-1以内;随着电场切换频率的增大,电热薄膜的介电常数逐渐减小,介电损耗先减小后增大,所以其电场切换频率不宜过大,应当控制在1000 k Hz之内。在热稳定性能方面,P(VDF-TrFE)电热薄膜在400℃以上开始出现热分解现象,因此其工作环境温度应限制在400℃以下。(3)根据现有的电热材料电热效应的特点,结合场协同原理提出了一种新型的电热效应制冷装置方案,该装置具有模块化结构,可根据实际应用需求在三个方向通过叠加单元模块进行扩展,通过不同方向的叠加,可以实现温度跨度和制冷功率的提升。
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