盧森堡科學(xué)技術(shù)研究所（LIST）是一家研究和技術(shù)機(jī)構(gòu)，位于Esch-Belval鎮(zhèn)的盧森堡新研究與創(chuàng)新園區(qū)的中心位置。園區(qū)匯集了大學(xué)、研究中心、聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室、初創(chuàng)企業(yè)以及孵化器的強(qiáng)大創(chuàng)新潛力。

LIST的其中一個部門為材料研究與技術(shù)（MRT）小組。該部門正在研究如何將納米技術(shù)/納米材料轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)用驅(qū)動解決方案的方法。其中一個研究主題是如何將表現(xiàn)電熱效應(yīng)的固體材料用于電子設(shè)備等的制冷系統(tǒng)。

研究電熱效應(yīng)

電熱效應(yīng)是可極化物質(zhì)隨著施加或去除電場而經(jīng)歷可逆溫度變化的現(xiàn)象。

薄膜中的電熱效應(yīng)有可能用于高功率電子設(shè)備的高效制冷設(shè)備和制冷系統(tǒng)。對電熱材料施加電場會提高其溫度，減少電場則會降低溫度。

“在博士研究人員的納米材料和納米技術(shù)部門，我們一直在建造電熱制冷設(shè)備的原型，以便將其與傳統(tǒng)制冷設(shè)備進(jìn)行比較，”LIST研究員Romain Faye說。“這項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)勢在于電熱制冷設(shè)備具有更高的能效，并使我們能夠避免使用潛在的有害液體。”

具體來說，傳感器用鐵性材料組的研究人員正在使用多層電容器來測試制冷設(shè)備的冷卻速率。多層電容器由數(shù)十層至數(shù)百層約10至40微米的陶瓷層組成，10到40微米的陶瓷層被幾微米的金屬電極隔開，金屬電極交替連接至2個外部端子。

通過增加電場頻率從而產(chǎn)生電熱效應(yīng)，輕松實(shí)現(xiàn)制冷設(shè)備的冷卻速率提升。在這個過程中重要的是在去除電場之前將產(chǎn)生的熱量與環(huán)境進(jìn)行交換的能力。這樣，就可達(dá)到比環(huán)境溫度更低的溫度。

“我們想盡快進(jìn)行熱交換，”Romain Faye說。“我們試圖確定這種熱交換過程如何受到材料本身的限制，例如在導(dǎo)熱性方面或材料的形狀方面。如果熱交換足夠快，我們可以每秒多次開關(guān)電場。”

高效、直接測量

通過測量電熱效應(yīng)，LIST研究人員希望能夠更好地了解這種現(xiàn)象在制冷應(yīng)用中的可用性。

“過去，研究人員主要使用間接測量，這種方法通過對極化進(jìn)行測量，并將極化測量值作為溫度和電壓的函數(shù)推導(dǎo)得出電熱效應(yīng)，而不是實(shí)際的溫度測量結(jié)果，”Romain Faye說。“然而，間接測量并不總是能夠得出正確的解釋。因此，我們的團(tuán)隊(duì)一直在尋找更有效的直接溫度測量方法。”

直接測量溫度變化最常用的方法是使用熱電偶和紅外熱像儀。熱電偶是測量與溫度變化相關(guān)的電壓變化的電子設(shè)備，而紅外熱像儀則測量與溫度變化相關(guān)的紅外輻射變化。

“熱電偶對于我們來說未證明其實(shí)用性，”Romain Faye說。“我們在極小表面上研究由電流引起的非常快速的溫度變化。熱電偶不能提供進(jìn)行這類測量所需的精度。另一方面，熱成像技術(shù)使我們能夠以可視化的方式顯示材料和環(huán)境之間的快速熱交換。”