Проектирование мягких пироэлектрических и электрокалорических материалов с использованием электретов

Изменение температуры может вызывать электрическую поляризацию пироэлектрического материала. Обратное явление — электрокалорический эффект — представляет собой изменение температуры под действием электрического поля. Эти явления находят широкое применение: от инфракрасных датчиков и твердотельного охлаждения до преобразования энергии. Однако пироэлектрический и электрокалорический эффекты обычно наблюдаются в некоторых классах твёрдых хрупких кристаллических материалов, которые должны отвечать строгим требованиям к симметрии кристаллической решётки. Вместе с тем немногочисленные эксперименты показали, что введение неподвижных зарядов и диполей в мягкие пены, создающее электретное состояние, может приводить к пироэлектрическому отклику и большим деформациям, характерным для мягких материалов. В этой работе разработана систематическая теория связанных электрических, тепловых и механических откликов мягких электретов. На простых наглядных примерах получены явные аналитические выражения для пироэлектрических и электрокалорических коэффициентов электретов. Хотя пироэлектрические свойства электретов отмечались и ранее, полученные выражения дают ясную количественную основу для интерпретации и последующего проектирования этого эффекта, а также позволяют понять, как его возникновению способствуют геометрически нелинейные деформации и напряжения Максвелла. Приведены условия, позволяющие усилить пироэлектрический и электрокалорический отклик. В частности, электрокалорический эффект в таких материалах предсказан впервые; показано, что подходящая конструкция и обоснованный выбор материалов могут обеспечить снижение температуры до 1,5 К при воздействии электрического поля напряжённостью 10 МВ/см.