《Science》：ISTA研究人員3D打印高性能、可持續(xù)熱電材料

導(dǎo)讀：快速、局部的熱電制冷器（TECs）對于電子設(shè)備至關(guān)重要，應(yīng)用范圍廣泛，從可穿戴材料到燒傷治療。雖然所謂的熱電材料可以將溫差轉(zhuǎn)換為電壓，但在效率和制造可擴(kuò)展性方面仍面臨挑戰(zhàn)。

2025年2月24日，南極熊獲悉，來自奧地利科學(xué)技術(shù)研究所（ISTA）Maria Ibáñez教授和Shengduo Xu博士等人通過采用基于擠出的3D打印技術(shù)來制造高性能熱電材料，解決了這些挑戰(zhàn)。據(jù)悉，新的制造方法可大大降低生產(chǎn)成本，同時保持與傳統(tǒng)方法相當(dāng)?shù)男阅堋?/div>

△研究團(tuán)隊來自 ISTA 實(shí)驗室。從左到右：能源科學(xué)聯(lián)合教授兼沃納西門子熱電實(shí)驗室負(fù)責(zé)人 Maria Ibáñez、Abayomi Lawal、第一作者 Shengduo Xu 和 Sharona Horta。© ISTA

相關(guān)論文以題為“Interfacial bonding enhancesthermoelectric cooling in 3D-printed materials.”的論文發(fā)表《Science》雜志。項目得到了奧地利科學(xué)技術(shù)研究所 (ISTA) 和沃納西門子基金會的資助。

論文鏈接： https://www.science.org/doi/10.1126/science.ads0426

熱電冷卻器，也稱為固態(tài)制冷器，可通過電流將熱量從設(shè)備的一側(cè)傳遞到另一側(cè)，從而實(shí)現(xiàn)局部冷卻。熱電冷卻器使用壽命長、不易泄漏、尺寸和形狀可調(diào)，且沒有移動部件（如循環(huán)液體），因此非常適合各種冷卻應(yīng)用，例如電子產(chǎn)品。然而，用錠材制造熱電冷卻器成本高昂，而且會產(chǎn)生大量材料浪費(fèi)。此外，熱電冷卻器的性能仍然有限。

現(xiàn)在，由能源科學(xué)聯(lián)合體教授兼沃納西門子熱電實(shí)驗室主任瑪麗亞·伊巴涅斯 (MariaIbáñez)領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊，與第一作者、奧地利科學(xué)技術(shù)研究所 (ISTA) 的博士后徐勝鐸一起，利用 3D 打印機(jī)開發(fā)出高性能熱電材料，并用它們構(gòu)建了熱電冷卻器。徐勝鐸表示：“我們將 3D 打印創(chuàng)新地融入熱電冷卻器制造中，大大提高了制造效率并降低了成本?！?/div>

此外，與之前 3D 打印熱電材料的嘗試相比，本方法生產(chǎn)出的材料性能要高得多。ISTA 伊巴涅斯教授補(bǔ)充道：“憑借商業(yè)級的性能，我們的工作有可能超越學(xué)術(shù)界，具有實(shí)際意義，并吸引尋求實(shí)際應(yīng)用的行業(yè)的興趣?！?/div>

△合成工藝及性能。

△打印Ag2Se的多孔微觀結(jié)構(gòu)及熱電性能。

△通過形成顆粒間的界面鍵合提升BST-B-ST的熱電性能。

△3D打印的熱電制冷器（TEC）的冷卻性能和穩(wěn)定性。

突破熱電技術(shù)的界限

雖然所有材料都表現(xiàn)出某種熱電效應(yīng)，但這種效應(yīng)通常微不足道，根本無用。表現(xiàn)出足夠高熱電效應(yīng)的材料通常是所謂的“簡并半導(dǎo)體”，即“摻雜”半導(dǎo)體，其中故意引入雜質(zhì)，性能接近導(dǎo)體。目前最先進(jìn)的熱電冷卻器是使用基于錠的制造技術(shù)生產(chǎn)的——這是一種昂貴且耗電的程序，生產(chǎn)后需要大量的加工過程，這會浪費(fèi)大量材料。徐說：“通過我們目前的工作，我們可以 3D 打印出所需形狀的熱電材料。此外，由此產(chǎn)生的設(shè)備在空氣中表現(xiàn)出 50 度的凈冷卻效果。這意味著我們的 3D 打印材料的性能與制造成本高得多的材料相似。”因此，ISTA 材料科學(xué)家團(tuán)隊提出了一種可擴(kuò)展且經(jīng)濟(jì)高效的熱電材料生產(chǎn)方法，避免了耗能且耗時的步驟。

△合著者Abayomi Lawal 操作 3D 打印機(jī)

具有優(yōu)化顆粒結(jié)合的打印材料

除了應(yīng)用 3D 打印技術(shù)生產(chǎn)熱電材料外，研究團(tuán)隊還設(shè)計了油墨，這樣當(dāng)載體溶劑蒸發(fā)時，晶粒之間會形成有效而牢固的原子鍵，從而形成原子連接的材料網(wǎng)絡(luò)。因此，界面化學(xué)鍵改善了晶粒之間的電荷轉(zhuǎn)移。這解釋了團(tuán)隊如何設(shè)法提高 3D 打印材料的熱電性能，同時也為多孔材料的傳輸特性提供了新的見解。Ibáñez 說：“我們采用了基于擠壓的 3D 打印技術(shù)，并設(shè)計了油墨配方，以確保打印結(jié)構(gòu)的完整性并促進(jìn)顆粒結(jié)合。這使我們能夠從打印材料中生產(chǎn)出首批熱電冷卻器，性能與基于錠的設(shè)備相當(dāng)，同時節(jié)省了材料和能源。”

△用于測量熱電性能的擠出打印裝置

醫(yī)療應(yīng)用、能量收集和可持續(xù)性

除了在電子設(shè)備和可穿戴設(shè)備中快速進(jìn)行熱量管理外，熱電冷卻器還可以用于醫(yī)療領(lǐng)域，包括燒傷治療和肌肉拉傷緩解。此外，ISTA 科學(xué)家團(tuán)隊開發(fā)的油墨配方方法可以適用于高溫?zé)犭姲l(fā)電機(jī)（一種可以利用溫差產(chǎn)生電壓的設(shè)備）中使用的其他材料。研究團(tuán)隊聲稱，這種方法可以擴(kuò)大熱電發(fā)電機(jī)在各種廢物能量收集系統(tǒng)中的適用性。

△合著者兼電子顯微鏡專家 Sharona Horta。

Ibáñez說道：“我們成功地實(shí)施了全周期方法，從優(yōu)化原材料的熱電性能到制造穩(wěn)定、高性能的最終產(chǎn)品。我們的工作為熱電設(shè)備生產(chǎn)提供了變革性的解決方案，并預(yù)示著高效、可持續(xù)熱電技術(shù)新時代的到來?！?/div>