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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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2. Méthodes expérimentales de caractérisation de l’effet électrocalorique
2.1 Méthodes directes
La mesure directe consiste à mesurer directement une grandeur thermique lors de l’application du champ électrique, soit la chaleur échangée (permettant de déduire la variation d’entropie), soit la variation de température. Ce type de caractérisation est essentiel pour l’utilisation future des matériaux électrocaloriques dans des applications de refroidissement. Cependant, ces mesures sont très délicates à mettre en place car les variations attendues sont le plus souvent très faibles et à la limite de la capacité de détection des appareils. Ainsi, il est courant d’avoir des erreurs de mesures expérimentales pouvant atteindre 10 à 20 % de la valeur mesurée. En outre, la maîtrise des conditions thermiques appliquées à l’échantillon est difficile car la géométrie de ce dernier conditionne la fréquence de mesure (fréquence haute (> 10 Hz) pour être en régime pseudo-adiabatique, ou au contraire très lente (< 0,01 Hz) pour être en régime pseudo-isotherme), alors que l’effet électrocalorique est lui-même dépendant de la fréquence dans le cas général.
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Dans une première approche de quantification de l’effet électrocalorique, certaines équipes ont développé des dispositifs de mesure calorimétrique ad hoc permettant d’enregistrer la chaleur échangée en fonction du champ électrique appliqué (méthode notée « CAL » par la suite). Le plus souvent, ces dispositifs comportent un ou plusieurs thermocouples à proximité de l’échantillon, ce dernier étant placé au contact d’une source thermique. Une calibration sur des échantillons...
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BIBLIOGRAPHIE
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(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).
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