Ferroelectric ceramic polymer nanocomposites for electrocaloric cooling applications

Abstract

In this study, nanocomposites consisting of the polymer matrix and nanometer sized ceramic supporting phase were produced for electrocaloric cooling applications, which show potential as alternative refrigerant system. The aim of this study was to be able to estimate adiabatic temperature change (?T) of the composites by measuring saturated hysteresis loops for the composite materials that allow accurate calculation of the ?T using the indirect method based on Maxwell's relations. Ba0.94Ca0.06Ti0.925Sn0.075O3(BCST) composition ceramic was used as the supporting phase of the composite and P(VDF-TrFE)(55-45) co-polymer was chosen as the matrix. The ceramics were synthesized, as pellets by conventional solid-state method. Ferroelectric nanocomposites were manufactured by solution casting method by adding 5, 7.5, 10 volume percent of the ceramic powder, which was obtained by grinding the pellets by using ball milling. Phase analysis of all materials done using X-ray Diffraction method. Fourier Transform Infrared Spectroscopy was used to clearly understand the phase structure of polymer. Scanning electron microscopy was used for understand the distribution of ceramic particles in polymer matrix. Dielectric constant-dielectric loss and ferroelectric hysteresis loops were measured as a function of temperature for the electrical characterization of the materials. Adiabatic temperature change under electric field (?T) of the materials were calculated based on Maxwell's equations indirectly using the temperature dependent electrical polarization data. The dielectric constant and electrical polarization of the polymer matrix have increased with the addition of ceramic particles. The hysteresis loops of thebn pure polymer and composites were saturated, therefore the temperature change can be calculated accurately with the indirect method. Maximum ?T was calculated on the composite having 10vol% ceramic particles. (6.964K at 900 kV/cm).

Bu çalışmada, alternatif bir soğutucu sistemi olabilecek potansiyele sahip olan elektrokalorik soğutucu uygulamalarına entegre edilebilecek, yüksek soğutma sıcaklığı etkisini sağlayabilecek nanometre boyutlu seramik destekleyici faz ve polimer matrisli kompozit malzemeler üretilmiştir. Bu çalışmanın amacı doyum noktasına ulaşmış ferroelektrik histerisiz davranışı gösteren ferroelektrik özelliklere sahip olan kompozit malzeme sentezlemek ve dolaylı yöntemle hesaplanan elektrokalorik sıcaklık değişimini seramik katkısı ile arttırmaktır. Kompozit malzemenin destekleyici fazı Ba0.94Ca0.06Ti0.925Sn0.075O3(BCST), matrisi ise Polivinilidienflorid-cotrifloroetilen P(VDF-TrFE)(55-45) olarak seçilmiştir. BCST, geleneksel katı hal yöntemi kullanılarak pelet halinde sentezlendikten sonra, saf P(VDF-TrFE)(55-45) polimeri, ve yüzde 5, 7,5, 10 hacim oranlarında seramik tozu (bilyalı değirmenle parçacık boyutu düşürülmüş) katkılanmış ferroelektrik polimer nanokompozitler çözeltiden döküm yöntemiyle sentezlenmiştir. Bütün malzemelerin faz analizleri X-ışını Kırınımı yöntemiyle yapılmıştır ve polimerin faz yapısını net olarak belirlemek için Fourier Dönüşümlü Kızılötesi Spektroskopisi kullanılmıştır. Seramik parçacıkların polimer matristeki dağılımı Taramalı Elektron Mikroskobu ile gözlemlenmiştir. Üretilen malzemelerin sıcaklığa bağlı olarak yapılan elektriksel karakterizasyonlarında, dielektrik sabiti ve ferroelektrik histerisiz eğrileri ölçülmüştür. Polarizasyonun sıcaklığa bağlı değişimi ve Maxwell's denklemleri kullanılarak malzemelerin adiyabatik sıcaklık değişimi değerleri hesaplanmıştır. Katkılanma oranının artmasıyla polimer kompozitlerin dielektrik sabitleri ve elektriksel polarizasyon değerleri artmıştır. Polimer ve polimer-seramik filmlerin elektriksel polarizasyonu uygulanan elektrik alan ile doyum noktasına ulaşmıştır. Bu sayede, elektrokalorik sıcaklık değişimi değerleri (?T) doğruya yakın bir şekilde indirekt metotla hesaplanabilmiştir. En yüksek adiyabatik sıcaklık değişimi (?T) 900 kV/cm elektrik alan altında hacimce yüzde 10 seramik katkılanmış kompozit malzemede 6.96 (K) olarak elde edilmiştir.