[发明专利]一种柔性电卡制冷器件

说明书

本发明公开了一种柔性电卡制冷器件，包括柔性耐火纸衬底、镍酸镧底电极层、钛酸锶钡电卡薄膜层及铂顶电极。器件的柔性通过采用新型的柔性耐火纸衬底替代传统刚性衬底实现，耐火纸可承受1000℃以上的高温，可实现电极和电卡薄膜的原位成相。本发明所采用的制备方法简单，成本低。所制备的器件制冷系数高，无噪音，尺寸小，可广泛应用于潜艇制冷组件、机器人散热、消防安全、医疗卫生、可穿戴智能服装以及人工智能等领域。

技术领域

本发明属于电卡制冷器件领域，具体涉及一种柔性电卡制冷器件。

背景技术

电卡制冷区别于传统的蒸汽压缩制冷，属于新型的固态制冷技术之一。原理是基于电卡效应，电卡效应即通过外电场的施加或移除，引起电卡材料内部电偶极矩有序态或无序态转变，从而引起材料温度变化的现象。电卡制冷因其制冷效率高、无噪音、成本低、制冷周期短的优点是未来制冷技术的最优选择。

目前社会对制冷散热有着广泛的需求，大数据、云计算、人工智能、物联网技术的发展，要求建立庞大的数据中心，数据中心的散热问题是制约其性能提高的关键所在；日常生活中的汽车空调、家用冰箱、冷藏等等无不要求高效率制冷。此外，智能时代的到来，一些特殊的器件与设备在要求散热的同时也要求材料具有一定柔性。如机器人、可穿戴智能健身服、柔性皮肤和柔性显示器等等。以机器人为例，其动力设备在持续高负荷运转的时候都会出现过热的情况，工程师通常使用散热器、风扇等解决这一问题，但这种冷却解决方案意味着占用其体内宝贵的空间，并增加更多的重量；最新采用渗出冷却液蒸发散热的方式不仅会带来一定的安全隐患，而且冷却液的更换频率也限制了其工作时间。这些问题均可通过器件的柔性化来解决。

但是，目前绝大多数薄膜材料以硅基刚性衬底制备，阻碍了器件柔性化的实现。少数柔性衬底采用PET、PI等高分子共聚物，缺点是可承受温度低，对于一些需高温成相的材料则无法作衬底。

耐火纸作为新型的柔性衬底，不仅可承受1000℃以上的高温，满足几乎大部分薄膜材料的退火温度，而且具有良好的柔韧性和可加工性，可裁剪和折叠成任何形状，满足实际使用过程中不同弯曲半径的要求。以耐火纸为衬底衬底制备的薄膜致密度高，表面光滑，有着丰富的应用。

目前电卡制冷领域的中国专利报道主要集中于电卡材料，少数专利报道了电卡器件，但几乎没有柔性电卡器件的专利。例如中国专利CN106518069A介绍了一种掺镧锆钛酸铅铁电厚膜陶瓷材料及其制备方法；中国专利CN106220168A介绍了可用于电卡制冷的锆酸铅基反铁电材料；中国专利CN105236960A介绍了一种基于钛酸钡的巨电卡效应片式叠层陶瓷的电卡制冷器件。这些专利所报道的材料大部分为铅基电卡材料，对环境污染严重，采用的衬底为硅基刚性衬底；所报道的电卡器件不具备柔性，其可应用范围受到严重限制。

发明内容

为克服普通电卡制冷器件不具备柔性问题，本发明提出了柔性耐火纸作为生长衬底制备制冷器件。

耐火纸是一种高柔韧性、可耐1000℃以上高温的无机材料纸张。

一种柔性电卡制冷器件，器件结构包括：依次设置的柔性耐火纸衬底、镍酸镧底电极层、钛酸锶钡电卡薄膜层为三明治层状空间曲面结构，且三层具有同样的弧度复合；设置若干个铂顶电极均匀排布在钛酸锶钡电卡薄膜层顶部。

进一步的，柔性耐火纸衬底可承受1000℃以上的高温柔性衬底耐火纸，实现电极层和电卡薄膜层的直接生长和原位成相。

进一步的，柔性衬底耐火纸厚度在10-100μm，其弯曲曲率半径为1mm。

进一步的，镍酸镧底电极层采用溶胶凝胶法制备，旋涂转速在3000-5000rpm，退火温度在600-800℃。电极表面起伏在3nm以下，电阻在100Ω以下。