Projekti / Programi
Multifunkcijski materiali za aktuatorske in hladilne naprave
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.09.01 |
Tehnika |
Elektronske komponente in tehnologije |
Materiali za elektronske komponente |
| Koda |
Veda |
Področje |
| T153 |
Tehnološke vede |
Keramični materiali in praški |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.05 |
Tehniške in tehnološke vede |
Materiali |
Elektrokaloriki, piezoelektriki, elektrostriktorji, aktuatorji, hladilne naprave
Raziskovalci (17)
Organizacije (2)
| št. |
Evidenčna št. |
Razisk. organizacija |
Kraj |
Matična številka |
Štev. publikacijŠtev. publikacij |
| 1. |
0104 |
Kemijski inštitut |
Ljubljana |
5051592000 |
20.942 |
| 2. |
0106 |
Institut "Jožef Stefan" |
Ljubljana |
5051606000 |
90.664 |
Povzetek
Z vidika porabe električne energije, ogrevanja in hlajenja postaja družba vse bolj zahtevna in potrošniška. Shranjevanje, pretvorba, dobava in poraba energije so zato prioritete na globalni ravni. V bližnji prihodnosti pričakujemo stroge ukrepe tako v Evropi kot širše v svetu, kar ustvarja vse večji pritisk na temeljne in aplikativne raziskave funkcijskih materialov.
Večfunkcijski materiali, pogosto imenovani kot »multiferoiki«, so že utrdili svoje mesto v elektroniki in mikroelektroniki. Tovrstni materiali so tudi piezoelektrični, sposobni so torej pretvoriti električno energijo v mehansko in obratno. Piezoelektričnost izkoriščamo v številnih aplikacijah, kot so senzorji, aktuatorji in ultrazvočni pretvorniki; omenjene aplikacije se pojavljajo tako v energetiki, kot v avtomobilski in letalski industriji ter medicini.
V zadnjih 50 letih smo na trgu piezoelektričnih materialov priča prevladi enega materiala, to je Pb(Zr,Ti)O3 (PZT). Obstaja sicer še ena skupina materialov, to so t.i. relaksorski feroelektriki, ki so z vidika piezoelektričnega odziva še bolj učinkoviti kot PZT. Predstavnik omenjene skupine materialov je trdna raztopina (1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3–xPbTiO3 (100(1-x)PMN-100xPT). Sestava ob morfotropni fazni meji (ang. MPB), 65PMN-35PT, izkazuje izjemne piezoelektrične lastnosti, na primer, piezoelektrični koeficient v keramiki doseže tudi 700 pC/N (J. Kelly et al., J. Am. Ceram. Soc. 80, 957–964, 1997). Po drugi strani je PMN (brez PT) tipični relaksor z visokim elektrostrikcijskim odzivom (G. Trefalt et al., J. Am. Ceram. Soc. 94, 2846–2856, 2011).
Poleg omenjenih elektromehanskih (EM) lastnosti, se na področju relaksorskih feroelektrikov vse bolj pojavljajo študije, ki obravnavajo njihove elektro-termične lastnosti, kot je elektrokalorični (EK) pojav. Pri EK pojavu gre za reverzibilno spremembo temperature materiala pri adiabatnih pogojih, ki jo induciramo tako, da material izpostavimo visokemu električnemu polju. Dokazali so, da kompleksni perovskitni materiali izkazujejo visoke EK spremembe temperature; na primer, PMN-PT je izkazal spremembo ~3 K pri polju 90 kV/cm (B. Rožič et al., J. Appl. Phys. 110, 064118, 2011). Gre za eno najvišjih izmerjenih vrednosti za volumensko keramiko.
Izbrane sestave PMN-PT izkazujejo tako izjemne piezoelektrične in/ali elektrostrikcijske lastnosti kot tudi visok elektrokalorični odziv. Možnosti uporabe teh dveh lastnosti hkrati pa do sedaj še niso preučili. Cilj projekta je pripraviti aktuatorske elemente na osnovi PMN-PT, ki bodo sočasno izkoriščali tako EM kot EK pojav.
V prvem delu projekta bomo najprej pripravili keramiko PMN-PT različnih sestav in velikosti zrn. To nam bo omogočilo, da preučimo vrsto keramičnih vzorcev od relaksorskih do feroelektričnih sestav. Poudarek bo na razumevanju soodvisnosti med lastnostmi na lokalnem (nanometrskem in atomskem) in makroskopskem nivoju. Študije bodo omogočile: (i) razumevanje osnovnih pojavov, kot so električna prevodnost in dinamika domenskih sten in točkovnih defektov, na lokalnem nivoju ter njihov vpliv na makroskopske EM in EK odzive, (ii) izbor PMN-PT sestav z najboljšim funkcijskim odzivom, ki jih bomo uporabili v drugi fazi projekta.
Cilj drugega dela projekta je preveriti koncept večfunkcijskega delovanja EM in EK elementov in ustvariti raziskovalno ozadje za aktuatorske/hladilne sisteme in naprave. Iz izbranih sestav PMN-PT bomo pripravili enostavne strukture (recimo ročice; ang. cantilevers), ki bodo izkoriščale tako EM kot EK lastnosti projektnih sestav. Načrtovanje in optimizacijo teh elementov bomo podprli z numerično analizo (metoda končnih elementov).
Če povzamemo, je naš namen, da bomo na osnovi mikroskopskih in makroskopskih meritev materialov razumeli sklopitev EM in EK lastnosti ter nadalje uporabili to znanje za pripravo in optimizacijo večfunkcijskih elementov.
Pomen za razvoj znanosti
Pretvorba električne energije v toploto, tj. elektrokalorični (EK) pojav, je pritegnil veliko pozornost, obstaja namreč realna možnost, da bo nadomestil obstoječe tehnologije hlajenja, kot je plinska kompresijska tehnika. Glavna ovira za uporabo EK pojava in elementov v hladilnih aplikacijah so premajhne spremembe temperature, ki jih lahko dosežemo z vzpostavitvijo električnega polja materialom, predvsem volumenski keramiki. Znanstvena skupnost torej išče materiale, ki bi pri zmernih amplitudah električnega polja dosegli velike EK spremembe temperatur brez nevarnosti preboja po večkratnih ciklih. Sočasno z razvojem strukture in mikrostrukture EK materialov, še vedno ne razumemo številnih mikroskopskih mehanizmov, ki lahko ključno vplivajo na EK pojav, na primer, povišana električna prevodnost, ki lahko vodi do prekomernega Joule-ovega segrevanja, ali vpliv domenske strukture in lokalne, atomske strukture domenskih sten v feroelektrikih, kot je eden pomembnejših kandidatov za EK aplikacije, tj. PMN-PT. Predlagani projekt bo razčistil nekaj od teh mehanizmov v povezavi tako z EK pojavom kot elektromehanskim (piezoelektričnim / elektrostrikcijskih) odzivom kompleksnih projektnih sestav. Študije bomo pripravili z najnovejšimi analiznimi tehnikami, kot je na primer TEM z atomsko resolucijo, zato pričakujemo povsem nove rezultate na področju.
S projektom ne želimo samo razviti materialov s potencialno primernimi lastnostmi za aplikacije, ampak tudi z inovativnimi metodami karakterizacije razumeti temeljne povezave med strukturo in lastnostmi izbranih sestav, kar bo ključen prispevek k stroki.
Pomen za razvoj Slovenije
V zadnjih letih smo priča povečanemu zanimanju za elektrokalorični (EK) pojav, kar je sprožilo bodisi temeljne raziskave na EK materialih, bodisi inženirske in razvojne študije načrtovanja in optimizacije hladilnih sistemov in naprav, ki bi izkoriščali EK pojav. Pričakujemo, da se bo v naslednjih letih ali desetletjih izoblikoval trg EK materialov, kar trenutno ustvarja pritisk, ne samo na temeljne raziskave, ampak predvsem na aplikativni/inženirski razvoj EK naprav. Raziskovalno-razvojni projekti, kot je predlagani, so torej ključni za bodoče gospodarstvo, povezano z novimi trgi in poslovnimi priložnostmi, tako v Sloveniji kot Evropi.
V projektu nameravamo izdelati večfunkcijske elemente za sočasno elektrokalorično hlajenje in aktuatorsko delovanje. Rezultati so lahko praktično zanimivi, saj želimo pokazati uporabnost izdelanih elementov v potencialnih aplikacijah. EK hlajenje je pomembno za vrsto aplikacij, med drugim tudi za aktivno hlajenje v mikroelektroniki.
Za Slovenijo je zelo pomembno, da razvija znanja za razvoj potencialnih izdelkov in tehnologij z visoko dodano vrednostjo in se s tem pripravi na prihajajoče investicije na področju elektrokaloričnega hlajenja. Obe raziskovalni tematiki, to sta hladilna tehnika na osnovi EK pojava in raziskave piezoelektričnih materialov za senzorje, smo skupaj z industrijskima partnerjema Gorenje in Hidria že vključili v iniciativo »Smart Specialization Strategy«.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Vmesno poročilo,
zaključno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Vmesno poročilo,
zaključno poročilo
