Das Interesse über den elektrokalorischen Effekt hat im letzten Jahrzehnt rasch zugenommen. In dieser Zeit wurde die elektrokalorische Temperaturänderung in vielen ferroelektrischen Materialien direkt und indirekt bestimmt. Um diese Materialien im Hinblick auf elektrokalorische Anwendungen zu vergleichen, müssen nicht nur die elektrokalorischen, sondern auch die thermophysikalischen Leistungsmerkmale berücksichtigt werden. In dieser Arbeit wird eine materialbezogene Kühlleistung auf Basis des Newtonschen Abkühlgesetzes einer dünnen Platte hergeleitet, welche sowohl elektrokalorische als auch thermophysikalische Eigenschaften einschließt. Aus der materialbezogenen Kühlleistung wird eine kalorische Gütezahl abgeleitet, mit welcher Materialien des Ba(ZrxTi1-x)O3 Systems verglichen werden. Die elektrokalorische Temperaturänderung, die spezifische Wärmekapazität und die Wärmeleitfähigkeit von Ba(ZrxTi1-x)O3 werden bereitgestellt. Die gezeigten Zusammensetzungen weisen ein unterschiedliches paraelektrisch zu ferroelektrisch Phasenübergangsverhalten auf, das von Verhalten erster Ordnung, bis zweiter Ordnung, diffusem Phasenübergang und relaxorähnlichem Verhalten reicht. Die größte kalorische Gütezahl wurde für Ba(Zr0.13Ti0.87)O3 gefunden, welches einen Übergang zweiter Ordnung von paraelektrischer zu ferroelektrischer Phase hat. Die kalorische Gütezahl wird ferner verwendet, um den elektrokalorischen Effekt mit dem magnetokalorischen und mechanokalorischen Effekt zu vergleichen. Es wurde festgestellt, dass Mehrschichtstrukturen der besten bleihaltigen elektrokalorischen Materialien, mit repräsentativen magnetokalorischen Materialien konkurrieren können, wohingegen das mechanokalorische Material NiTi eine fünfmal höhere Leistung zeigt als die besten magnetokalorischen oder elektrokalorischen Materialien.
Phänomenologische Berechnungen werden verwendet, um die Auswirkung von kritischen Endpunkten, trikritischem Punkt und Tripelpunkt auf das elektrokalorische Verhalten zu untersuchen. Das elektrische Feld – Temperatur Phasendiagramm von BT wird bereitgestellt. Der Beitrag der latenten Wärme, des durch ein elektrisches Feld induzierten Phasenüberganges erster Ordnung, zur elektrokalorischen Temperaturänderung wird abgezogen, und es wird gezeigt, dass die größte elektrokalorische Empfindlichkeit am kritischen Endpunkt des Flüssigdampftyps liegt. Das Phasendiagramm und die elektrokalorischen Temperaturänderungen für Ba(ZrxTi1-x)O3 wurden berechnet. Es wurde ein komplettes Zusammensetzung – Temperatur Phasendiagramm mit Position des trikritischen Punktes und Tripelpunktes berechnet. Unter Berücksichtigung der Linie von kritischen Endpunkten wurde ein elektrisches Feld – Zusammensetzung – Temperatur Phasendiagramm erstellt. Es wird gezeigt, dass der Tripelpunkt einen positiven Einfluss auf die elektrokalorischen Eigenschaften hat, während der trikritische Punkt keinen Einfluss hat.
Die Langzeitstabilität der elektrokalorischen Temperaturänderung und der Einfluss von Sauerstoffleerstellenmigration wird gezeigt. Die Bewegung von Sauerstoffleerstellen unter starken elektrischen Feldern führt zu einer Änderung der Defektchemie und somit zu einem erhöhten Leckstrom und Joulescher Erwärmung. Es wird gezeigt, dass der Hauptleitungsmechanismus nach 106 elektrokalorischen Zyklen von ionischer zu elektronischer Leitfähigkeit wechselt. Durch ändern der Polarität des elektrischen Feldes nach jeweils 105 Zyklen können die Sauerstoffleerstellen umverteilt werden und eine große Zyklenzahl von 106 ohne Abnahme in der elektrokalorischen Temperaturänderung wird erhalten. | German |