电卡效应是指介电材料在外加电场以及去除电场的过程中产生温度变化的现象。铁电材料作为介电材料的一类，通常具有大的电卡效应，因而被视作理想的固体制冷材料。这种新型的固体制冷技术有望在未来取代传统的气体压缩制冷技术,从而引起了广泛的研究兴趣。
通常，在铁电材料的相变处人们才能获得大的电卡效应。然而，关于电卡效应在铁电相变处的物理机制研究仍然缺乏。此外，具有一级相变特性的铁电体在极化翻转过程中产生很大的滞后效应，进而导致铁电材料在完整的电卡循环中出现大的电卡效应损失。因此，电卡效应会显著降低，同时也使得工作温度区间大大缩减。
本论文的主要研究目标是拟通过对经典钛酸钡基铁电陶瓷在相变处的电卡效应及其物理机制的研究，以期开发具有高电卡效应的铁电陶瓷材料或者帮助理解电卡效应的本征物理机制以指导高性能材料的发现。基于以上目的，我们系统的研究了铪掺杂钛酸钡体系（BaHfxTi1-xO3）及锶、铪共掺杂钛酸钡（Ba0.9Sr0.1Hf0.1Ti0.9O3）的电卡效应，主要的结果与讨论如下。
首先，构建BaHfxTi1-xO3陶瓷体系的温度-组分相图并结合电卡效应的直接测试和间接测试两种方法，研究了准同型相界，准临界相变点以及弥散型铁电相变处的电卡效应，结果表明在不同的相变类型处的电卡效应具有明显的相变依赖性。为了进一步表征这种相变依赖性的物理本质，利用朗道唯象理论以及直接电卡测试结果，我们证实不同相变处大的电卡效应得益于电场与相结构的耦合作用。
其次，研究了Ba0.9Sr0.1Hf0.1Ti0.9O3陶瓷的电卡效应，直接测试的结果表明，在陶瓷的一级相变处电卡效应具有明显的滞后效应。利用缺陷工程这一方法，我们在陶瓷中掺杂氧化铜，进而引入了缺陷偶极子。缺陷的引入有效的消除了滞后损失同时提高了制冷温变。从能量角度考虑，缺陷的引入可以显著的降低材料极化态与非极化态之间的势垒。而且，在去除外电场时，缺陷偶极子在外电场作用下具有明显的时间依赖性或滞后特性，这使得极化的铁电态在去除电场后可以顺利的回到非极化态，进而显著的降低了由于一级相变滞后效应引起的电卡损耗。此外，我们也证实利用缺陷的时效效应可以实现电卡制冷循环的高寿命。
综上所述，我们系统的研究了铪掺杂钛酸钡铁电陶瓷材料的电卡效应，并在不同特征相变处发现了大的电卡效应。利用朗道唯象理论结合直接测试结果，成功的解释了电卡效应的相变依赖性。在锶、铪共掺杂钛酸钡铁电陶瓷中，电卡效应具有明显的滞后效应，我们利用缺陷工程，有效的解决了这一滞后损失，实现了电卡制冷的高效利用。同时结合缺陷铁电体的时效效应，可以有效的提高电卡制冷循环的稳定性与可恢复性。通过以上的研究，我们在无铅铁电陶瓷体系中发现了大的电卡效应，也使得我们对电卡效应的物理本质以及电卡效应的改性有了进一步的认识。但是，深入的研究仍然需要，我们期望以上的研究工作可以为后来的电卡效应研究提供指引，也希望以上的研究方法可以帮助人们研究类似体系提供帮助，例如，铁电薄膜，铁电单晶和多铁材料等的电卡效应。