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RÉSUMÉ
L’effet électrocalorique (dépendance de l’entropie d’un matériau diélectrique avec le champ électrique) peut être utilisé pour réaliser des machines thermiques (pour le refroidissement) compactes et à haut rendement. Cet article comprend une présentation courte des éléments théoriques nécessaires à la quantification de l’effet électrocalorique, une introduction aux techniques expérimentales de caractérisation, ainsi qu’une présentation détaillée des propriétés de nombreux matériaux: céramiques, monocristaux, couches épaisses, couches minces, et polymères.
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Gaël SEBALD : Professeur des Universités - Laboratoire de Génie Electrique et de Ferroélectricité (EA682) - INSA-Lyon, Lyon, France Engineering & Science Lyon Tohoku joint laboratory: Materials and systems under extreme conditions (IRL3757) - CNRS - Université de Lyon - Tohoku University International Joint Unit, Tohoku University, Sendai
INTRODUCTION
Les matériaux électrocaloriques permettent de convertir l’énergie électrique en énergie thermique. Ils présentent la faculté de voir leur entropie varier de manière réversible sous l’action d’un champ électrique : la polarisation induite par le champ électrique est responsable, dans la majorité des cas, d’un ordre plus élevé au sein du matériau, associé à une diminution d’entropie. Les types de matériaux peuvent être des monocristaux et des céramiques (sous forme massive, en couche épaisse ou en couche mince), ainsi que des polymères. En l’absence d’échange thermique (cas adiabatique), la température du matériau peut ainsi varier de plusieurs degrés, voire plusieurs dizaines de degrés par l’application de forts champs électriques.
La recherche sur les matériaux électrocaloriques s’est fortement développée au début des années 2000 après quelques réalisations dès les années 1970. L’effet alors mesuré étant trop faible pour être exploitable pratiquement, c’est le développement des structures de faibles épaisseurs (couches minces et polymères) qui a permis d’obtenir de grandes rigidités diélectriques et des effets électrocaloriques importants.
Pour certains matériaux, la variation d’entropie est ainsi suffisante pour déplacer de l’énergie thermique d’une source froide vers une source chaude. Le matériau électrocalorique constitue le cœur d’un dispositif de refroidissement à l’état solide, véritable machine thermique pouvant concurrencer les autres dispositifs de réfrigération (systèmes de compression/détente de gaz, évaporation, effet thermoélectrique, effet magnétocalorique, etc.). L’avantage de tels dispositifs est l’absence de fluide frigorifique, permettant une meilleure intégration et une disposition plus compacte. En comparaison aux matériaux thermoélectriques, dont le rendement atteint difficilement plus de 10 % en pratique, les matériaux électrocaloriques présentent théoriquement un fonctionnement réversible menant à une efficacité énergétique proche du cycle idéal de Carnot.
À ce stade, peu de démonstrateurs électrocaloriques expérimentaux ont été présentés, les recherches s’étant pour l’instant concentrées sur le matériau lui-même. En revanche, les cycles régénératifs développés pour l’application de l’effet magnétocalorique peuvent se transposer au cas électrocalorique.
Cet article présente une revue des propriétés électrocaloriques de nombreux matériaux existants, après avoir défini quelques éléments théoriques permettant de comprendre la quantification de ces effets, et les techniques expérimentales de caractérisation.
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MOTS-CLÉS
entropie système de refroidissement matériaux à couplages multiphysiques machine thermique réfrigération effet électrocalorique
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Méthodes expérimentales de caractérisation de l’effet électrocalorique
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1. Éléments de thermodynamique
1.1 Écriture des deux équations couplées
La définition de l’effet électrocalorique nécessite de rappeler quelques éléments de thermodynamique classique. L’effet électrocalorique est indissociable de l’effet pyroélectrique dont il est le symétrique (sens de la conversion énergie électrique/énergie thermique).
Les grandeurs fondamentales de la pyroélectricité sont pour la partie électrique le champ Ek et le déplacement électrique Dk (« k » indice de 1 à 3 traduisant les trois directions possibles pour les grandeurs électriques), et pour la partie thermique la température T et l’entropie S. Dans l’hypothèse où ces quatre grandeurs sont des fonctions d’état, il est possible de formaliser l’effet électrocalorique en se basant sur le développement de l’enthalpie libre ou énergie de Gibbs G du système considéré :
U étant l’énergie interne.
Pour une transformation réversible, on a :
avec δWE = Ek dDk le travail électrique et δQ = T dS la chaleur échangée.
Le calcul de la différentielle de l’énergie de Gibbs donne :
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - LIU (X.Q.), CHEN (T.T.), WU (Y.J.), CHEN (X.M.) - Enhanced electrocaloric effects in spark plasma-sintered Ba0,65Sr0,35TiO3-based ceramics at room temperature. - Journal of the American Ceramic Society, vol. 96, n° 4, p. 1021-1023 (2013).
-
(2) - LU (S.-G.), ZHANG (Q.) - Electrocaloric materials for solid-state refrigeration. - Advanced Materials, vol. 21, n° 19, p. 1983-1987, mai 2009.
-
(3) - LU (S.G.), ROZIC (B.), ZHANG (Q.M.), KUTNJAK (Z.), LI (X.), FURMAN (E.), GORNY (L.J.), LIN (M.), MALIC (B.), KOSEC (M.), BLINC (R.), PIRC (R.) - Organic and inorganic relaxor ferroelectrics with giant electrocaloric effect. - Applied Physics Letters, vol. 97, n° 16, p. 162904 (2010).
-
(4) - PIRC (R.), KUTNJAK (Z.), BLINC (R.), ZHANG (Q.M.) - Upper bounds on the electrocaloric effect in polar solids. - Applied Physics Letters, vol. 98, n° 2, p. 021909 (2011).
-
(5) - ROZIC (B.), MALIC (B.), URSIC (H.), HOLC (J.), KOSEC (M.), KUTNJAK (Z.) - Direct measurements of the electrocaloric effect...
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