[发明专利]一种PVDF基铁电高分子纳米复合材料及其制备方法和在全固态电卡制冷器件中的应用

说明书

本发明公开了一种PVDF基铁电高分子纳米复合材料及其制备方法和在全固态电卡制冷器件中的应用。PVDF基铁电高分子纳米复合材料是先制备BFO纳米颗粒，再将BFO纳米颗粒与BZT通过液相法原位复合，并经过静电纺丝制成BFO@BZT纳米纤维材料，将BFO@BZT纳米纤维材料与PVDF通过静电纺丝复合，再热压形成薄膜材料；该材料具有增强的电卡强度(温度变化△T与电场强度△E的比值)及等温熵变(△S)，在外加电场下产生可逆绝热温变(△T)，特别适合用于制备全固态电卡制冷器件。

技术领域

本发明涉及一种固态相变制冷材料，具体涉及一种具有较好电卡性能的PVDF基铁电高分子纳米复合材料，还涉及其制备方法和在电卡制冷器件方面的应用，属于制冷材料技术领域。

背景技术

当今社会，基于压缩原理的传统制冷系统已无法满足现代微电子技术对主动制冷器件性能和集成等方面的要求。基于电卡效应(electrocaloric effect)的新型制冷器件或制冷系统因其具有全固态、无运动部件、可直接与热源集成等显著性能优点而日益受到人们的关注。电卡制冷器件依靠其中电介质材料在施加或去除电场时内部电偶极子极化熵的等温熵变(△S)产生可逆绝热温变(△T)来实现制冷。众多可用于电卡制冷的电介质材料中，无机铁电陶瓷材料可以产生较大的绝热温变和较高的电卡强度，在电卡制冷领域具有广泛的应用，但其等温熵变很小。而铁电聚合物材料可以在电场下通过偶极子的有序-无序转变产生较大的等温熵变，比如弛豫铁电三元共聚物聚(偏氟乙烯-三氟乙烯-氟氯乙烯，PVDF-TrFE-CFE)因其温度稳定的电卡性能及较高的介电强度，在实用制冷设备中具有良好的应用前景。然而，在铁电聚合物材料中，电极化翻转由聚合物链的偶极旋转产生的，因此其极化强度较小，通常需要在较高的电场下才能获得较好的电卡性能，从而导致电卡强度较低，这限制了铁电聚合物电卡材料在制冷设备中的大规模应用。

近年来，由无机铁电陶瓷与聚合物基体复合制备具有高电卡性能的铁电纳米复合材料被认为是下一代全固态制冷设备的有力发展策略。电卡材料是一种在外加电场作用下可以表现出可逆温度变化的材料。与目前广泛使用的压缩机制冷设备相比，基于电卡效应的制冷器制冷效率高(分别是压缩机和半导体制冷器的2倍和7倍)、体积小、重量轻等优点，且不具有产生温室效应或对臭氧层有严重危害的制冷剂，可用于大规模集成电路和大功率电子器件的降温并有望取代空调、冰箱等传统高能耗制冷设备，而更为重要的是，电卡效应为新一代可穿戴制冷系统的设计与制备提供了可能。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明的目的是在于提供一种具有高电卡性能的PVDF基铁电高分子纳米复合材料，该材料具有增强的电卡强度(温度变化△T与电场强度△E的比值)及等温熵变(△S)，在外加电场下表现出可逆绝热温变(△T)，特别适合用于大规模集成电路和大功率电子器件降温。

本发明的第二个目的是在于提供一种操作简单、成本低的制备PVDF基铁电高分子纳米复合材料的方法。

本发明的第三个目的是在于提供PVDF基铁电高分子纳米复合材料在制备电卡制冷器件中的应用，可以获得具有体积小、重量轻、制冷效率高等优点的电卡制冷器件，且不会产生温室效应或对臭氧层产生严重危害，可用于大规模集成电路和大功率电子器件的降温，并有望取代空调、冰箱等传统高能耗制冷设备，更重要的是，为新一代可穿戴器件制冷系统的设计与制备提供了可能。

为了实现上述技术目的，本发明提供了一种PVDF基铁电高分子纳米复合材料的制备方法，其包括以下步骤：

1)将铋源和铁源通过液相反应形成溶胶，所述溶胶依次经过干燥、预热及退火处理，得到BFO纳米颗粒；

2)将钡源、钛源及锆源通过液相反应形成溶胶，在溶胶加入BFO纳米颗粒以及高分子材料混合均匀，得到前驱体溶液；将前驱体溶液进行静电纺丝，得到BFO@BZT纳米纤维，将所述BFO@BZT纳米纤维进行热处理；