尼龙络合物新型电卡材料的制备及其电卡效应研究

摘要

电卡效应是极性材料在电场作用下产生的可逆绝热温变（ΔT）或等温熵变（ΔS），这种极性材料被称为电卡材料。利用电卡效应设计的制冷循环过程成为一种新的固态制冷技术，这种固态制冷技术能源利用率高、对环境无污染、轻巧方便，有望替代蒸气压缩制冷成为下一代制冷设备的核心技术。 本文从改变电卡效应熵变来源的角度出发，利用尼龙络合物在电场作用下的非晶态-结晶态转变原理，设计出了一种新型的尼龙络合物电卡材料。从理论上分析了尼龙络合物电卡效应产生的基本原理，提出了尼龙络合物ΔT和ΔS的计算方法，计算出尼龙6络合物电卡效应的理论最大ΔT和ΔS分别是147.5 K和826.1 J kg-1 K-1，远高于传统的铁电类电卡材料。 通过熔融共混法和压延成型制备出了尼龙6/CaCl2膜，当CaCl2的体积分数为5%时尼龙6刚好转变为非晶态。红外光谱和X射线光电子能谱测试结果显示Ca2+与酰胺键的络合作用破坏尼龙6分子间的氢键，使得尼龙6转变为非晶态。通过微量热仪测得尼龙6/CaCl2膜在0.8 kV cm-1电场下产生的ΔT为18.2 K，表现出巨电卡效应，其电卡强度为22.8 K cm kV-1，是目前报道最高值的近100倍，而且所需要的电场强度也远低于传统的电卡材料。原位X射线衍射、全谱直读等离子体发射光谱仪等测试表明尼龙6/CaCl2膜在电卡效应产生过程中，存在尼龙6由非晶态-结晶态的转变过程，Ca2+与酰胺键的解络合和再络合过程，以及Ca2+迁移和回迁过程。 通过配置不同比例的尼龙6、CaCl2和氯乙醇的混合物，发现只有当CaCl2为尼龙6体积分数的5%时才能制备出尼龙6/CaCl2凝胶。X射线衍射仪和红外图谱测试显示尼龙6/CaCl2凝胶中存在结晶区域和Ca2+与尼龙酰胺键的络合结构，这两种结构是尼龙6/CaCl2凝胶形成的基础。通过直接测量温变法测得尼龙6/CaCl2凝胶块在0.8 kV cm-1的电场下产生的ΔT最大值为1.8 K，对应等量的尼龙6/CaCl2络合物的ΔT为17.9 K，与采用量热法测得的结果是近似相等的。原位X射线衍射、离子浓度测试表明尼龙6/CaCl2凝胶在电卡效应产生过程中，也存在尼龙6由非晶态-结晶态的转变过程，Ca2+与酰胺键的解络合和再络合过程，以及Ca2+迁移和回迁过程。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 电卡效应

1.3 电卡材料

1.4 电卡效应的测量方法

1.5 电卡制冷发展存在的问题及其应用前景

1.6 选题目的、意义和主要研究内容

第二章 尼龙络合物电卡效应的理论计算与表征方法构建

2.1 引言

2.2 实验部分

2.3 尼龙络合物电卡材料的设计

2.4 尼龙络合物的表征方法构建

2.5 本章小结

第三章 尼龙6/CaCl2薄膜电卡材料

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

第四章 尼龙6/CaCl2凝胶电卡材料

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

第五章 结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文

致谢