Projekti / Programi
Mikro-elektromehanski in elektrokalorični plastni elementi
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.09.00 |
Tehnika |
Elektronske komponente in tehnologije |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| T170 |
Tehnološke vede |
Elektronika |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.05 |
Tehniške in tehnološke vede |
Materiali |
elektrokaloriki, mikro-elektromehanski sistemi, keramika, mikrostruktura
Raziskovalci (21)
Organizacije (4)
Povzetek
Naraščajoče potrebe družbe po elektriki, ogrevanju ali hlajenju so postale prioriteta, zato potrebujemo učinkovite metode priprave, pretvorbe, shranjevanja in porabe energije. Prispevek k reševanju opisanih problemov je inovativna uporaba feroelektrične ali relaksorske keramike pri pretvorbi energije. Gre za dielektrično hlajenje, ki temelji na izkoriščanju elektrokaloričnega (EK) pojava: reverzibilne spremmbe temperature pod vplivom zunanjega električnega polja pri adiabatnih pogojih. Za konceptualno EK-hladilno napravo potrebujemo keramične hladilne elemente, in sicer tanke ploščice, ki omogočajo prenos toplote na hladilno tekočino.
V projektu bomo sintetizirali napredne materiale z veliko EK spremembo temperature. Do sedaj so največji EK pojav izkazali svinčevi kompleksni perovskiti, zato jih bomo podrobneje raziskali. V raziskave bomo vključili tudi okolju prijazne relaksorje brez svinca, saj bodo v prihodnosti morali nadomestiti svinčevo keramiko. Kemijsko sestavo bomo prilagodili tako, da bo maksimum dielektričnosti in torej tudi EK pojava blizu sobne temperature. Ugotovili bomo, kakšna je povezava med mikrostrukturo in EK pojavom izbranih sestav materialov.
Raziskali bomo, kako povečati dielektrično trdnost izbranih EK materialov, pri čemer nameravamo modificirati kemijsko sestavo z dopiranjem in/ali načrtovati mikrostrukturo, predvsem velikost in porazdelitev velikosti zrn ter poroznost. Ko bomo povečali dielektrično trdnost, bomo lahko izbrani material obremenili z večjo amplitudo električnega polja, in bomo torej dosegli večjo EK spremembo temperature.
Izdelali bomo EK-plastne elemente z optimizirano mikrostrukturo in debelino okrog 100 mikrometrov, tako da bi potrebovali za vzbujanje napetosti do nekaj kV za doseganje dovolj velikih sprememb temperature, da bodo omogočili delovanje demonstratorske hladilne naprave.
Pokazali bomo, da so plastni elementi z optimizirano mikrostrukturo uporabni v mikroelektromehanskih sistemih, na primer v aktuatorjih ali za zbiranje energije.
Pomen za razvoj znanosti
Raziskave elektrokaloričnih (EK) materialov in njihove možne uporabe v hladilni tehniki so aktualno področje raziskav vse od članka Mischenka in sodelavcev (Science, 2006) o ogromnem EK pojavu v tankih plasteh na osnovi svinčevega feroelektrika. Na tem področju s približno desetletno zgodovino smo sodelavci projekta znali učinkovito povezati svoje znanje s področij materialov, fizike trdne snovi in procesnega strojništva. Nedvomno je sinergijski rezultat projekta članek, v katerem smo opisali enega prvih delujočih prototipov hladilne naprave s keramičnimi EK hladilnimi elementi (Applied Physics Lettters, 2015). Demo hladilna naprava je vključevala hladilne plastne elemente relaksorsko-feroelektrične keramike 0.9Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.1PbTiO3 (PMN-10PT) in med testiranjem izkazovala učinkovito regeneracijo toplote. Vzpostavitev temperaturnega razpona med vročo in hladno stranjo regeneratorja je presegala večkratno EK temperaturno spremembo znotraj posameznega elementa. Dosežek je bil že v istem letu omenjen v preglednem članku v Nature Physics (Moya et al., Nat. Phys, 2015). Med pogoji za učinkovito delovanje hladilnih elementov je poleg kemijske sestave relaksorskega feroleketrika, ki določa največji odziv v temperaturnem območju blizu sobne temperature, tudi mikrostruktura. V okviru projekta smo prvi ugotovili, da obstaja povezava med mikrostrukturo, predvsem velikostjo zrn in EK spremembo temperature (EK delta-T) in da je ta odvisnost nelinearna. Obstaja torej optimalna velikost zrn, pri kateri dosežemo največjo EK delta-T, kar odraža prispevka nasičene polarizacije, ki raste z naraščajočo velikostjo zrn do določene velikosti, in dielektrične trdnosti, ki pada z naraščajočo velikostjo zrn. Rezultat našega dela je volumenska keramika PMN-10PT z največjo do sedaj objavljeno EK delta-T (3.45 K pri amplitudi 160 kV/cm) za svinčeve perovskite, ki sodijo med najučinkovitejše EK materiale, in z veliko EK ?T v območju več 10 K. V skladu z direktivami EU (WEE: Waste Electrical and Electronic Equipment Directive in ROHS: Restriction of Hazardous Substances Directive) naj bi v nekaj letih odkrili okolju prijazne alternativne materiale brez svinca učinkovitim svinčevim perovskitom. Zato smo raziskali EK pojav okolju prijaznega relaksorja brez svinca, 0.85K0.5Na0.5NbO3-0.15SrTiO3 (KNN-STO). Material izkazuje EK delta-T okrog 1.6 K pri 159 kV/cm, kar je sicer manj kot svinčevi perovskiti, vendar v širokem intervalu nekaj 10 K v bližini sobne temperature. Za izkoriščanje EK pojava v hladilni tehniki potrebujemo EK delta-T vsaj 2 K, slednje dosežemo pri velikih amplitudah električnega polja, običajno več kot 100 kV/cm. Logično je, da nižje električne napetosti dosežemo tako, da zmanjšamo debelino EK elementov, vendar smo pri volumenski keramiki zaradi njej lastne krhkosti omejeni z najmanjšimi debelinami do ~200 mikro-m. Med prvimi v svetu smo s tehnologijo nalivanja pripravili večplastne elemente PMN-10PT z debelino posamezne plasti nekaj 10 mikro-m. Največja izmerjena vrednost EK delta-T večplastnih elementov je bila 2,26 K pri 100 kV/cm in pri temperaturi 105 °C, kar se dobro ujema z vrednostmi, izmerjenimi na volumenski keramiki primerljive mase in dimenzij, vendar je bila dosežena pri nekajkrat nižji delovni napetosti. Nadalje smo prvi raziskali stabilnost EK pojava v večplastnih elementih. Večplastne elemente smo izpostavili 106 enopolarnim ciklom pri amplitudi polja 110 kV/cm. Direktne EK meritve so pokazale, da se začetna vrednost EK delta-T, ki je enaka 1.45 K, med cikliranjem zmanjša le za 0.01 K, kar kaže na odsotnost pojava utrujanja. Reksorski večplastni elementi primerni za uporabo v EK hladilnih napravah, kjer mora material prestati številne cikle električnega polja z amplitudami, ki včasih presegajo 100 kV/cm. Rezultati zato predstavljajo pomemben korak v smeri uporabe EK keramičnih materialov v hladilnih napravah novih generacij.
Pomen za razvoj Slovenije
Mednarodni patent, ki ščiti izum hlajenja z elektrokaloričnimi hladilnimi elementi, smo sodelavci projekta (skupine B. Malič in Z. Kutnjak, IJS, in A. Kitanovski, UL, Fakulteta za strojništvo) prodali podjetju Gorenje, ki je zaščito poleg EU, kjer je patent že podeljen, razširila še na ZDA in Kitajsko (patentni prijavi). Za podjetje je princip hlajenja s kaloriki zanimiv za program hladilne tehnike in na tem področju s kolegi s Strojne fakultete sodelujemo še naprej. Rezultati so uporabni za sofinancerja KEKO Oprema, ki nam tudi po koncu projekta pomaga tako z delom kot z dostopom do opreme za izdelavo večplastnih elementov. V načrtu imamo nadaljnje izboljšave hladilnih elementov, da bi povečali učinkovitost prenosa toplote. Za komercializacijo elementov je pomembno tudi znižati ceno, zato smo v sodelovanju s podjetjem namesto notranjih platinskih elektrod prilagodili celoten proces priprave z elektrodami srebro-paladij. Dobili smo že nekaj poizvedb za nakup večplastnih hladilnih elementov iz ZDA. Razmišljamo o ustanovitvi spin-off podjetja. Sodelavci projekta dr. Marko Vrabelj in mlada raziskovalca Lovro Fulanović ter Andraž Bradeško so svojo podjetniško idejo: CeraSense – Smart Ceramic Solutions predstavili na 10. mednarodni konferenci o prenosu tehnologij v Ljubljani in se uvrstili v ožji izbor (prva tri mesta). Ideja temelji na kompaktnih elektrokaloričnih hladilnih sistemih, ki so integrirani v zaščitno opremo profesionalnih delavcev, ki so podvrženi ekstremnim zunanjim pogojem (npr. visoke temperature). Takšna napredna zaščitna oprema bi aktivno pripomogla k zniževanju temperature delavca na kritičnih delih telesa, tako bi prispevala k izboljšanju telesne vzdržljivosti in omilila ekstremne pogoje dela. Pomembno se nam zdi tudi, da smo v okviru 53. mednarodne konference MIDEM (oktober 2017, Ljubljana) organizirali Delavnico o materialih za pretvorbo energije in njihovi porabi: elektrokalorikih in termoelektrikih, v okviru katere smo v Slovenijo pripeljali ključne raziskovalce tega področja iz Evrope, ter da smo pritegnili raziskovalce in podiplomske študente s področij strojništva, elektrotehnike, materialov, fizike in kemije.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Letno poročilo
2014,
2015,
zaključno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Letno poročilo
2014,
2015,
zaključno poročilo
