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東華大學張坤研究員在柔性無機半導體基熱電織物研究取得新進展

文章來源：高分子科學前沿更新時間：2022-04-07 14:50:30

相對于其它類型柔性能量轉換技術，柔性熱電器件是一種重要的補充技術。它具有全天候工作、無移動部件、內阻小、直流電輸出等特點，并同時具有溫度調控和溫度傳感功能，可為多數物聯網用可穿戴電子器件持續供電。相比二維柔性熱電器件，由熱電紗線編織成的三維紡織結構熱電器件（簡稱熱電織物）具有獨特優勢，包括面內能量轉換、三維形變及共形和穿戴舒適等特點。因此，將紡織結構與熱電技術有機結合，開發柔性熱電紗線及織物是重要的研究方向之一。

近期，東華大學紡織學院張坤研究員S.M.A.R.T.團隊聯合中國科學院物理研究所趙懷周研究員研究團隊、中國科學院工程熱物理所張挺研究員以及美國西北大學Jeffrey Snyder教授在柔性無機半導體基熱電織物方面取得新進展，研究成果“Durable, stretchable and washable inorganic-based woven thermoelectric textiles for power generation and solid-state cooling”發表在英國皇家化學學會期刊《Energy & Environmental Science》。東華大學紡織學院博士生鄭園園為第一作者，張坤研究員為通訊作者，中國科學院物理研究所李國棟副研究員為聯合通訊作者。

論文的研究要點包括：

1. 三元同軸串珠狀碲化鉍基柔性熱電紗線的制備與熱電性能研究

結合簡易冷壓及超高溫快速退火技術，制備了p型（BST w/-UHS）和n型（BTS w/-UHS）熱電臂交替排列的串珠狀碲化鉍基熱電紗線并研究了其在不同溫度下的熱電輸出性能（圖1）。熱電紗線的zT值在315 K時分別為0.96和1.12，并在溫度為~360 K時，其zT值達到最大值，分別為1.0和1.2。

圖1 串珠狀碲化鉍基熱電紗線及其熱電性能

2. 三元同軸串珠狀碲化鉍基熱電紗線的動態力學及電學結構穩定性研究

首先，通過三點彎曲及原位電阻測量實驗來研究熱電紗線在彎曲載荷作用下的動態力學及電學性能穩定性（圖2a-c）。在彎曲載荷作用下，三元同軸熱電紗線的吸收能最大（3.46 mJ），且電阻穩定性最好。進一步地，采用有限元分析的方法從理論上研究了準靜態三點彎曲載荷作用下的裂紋擴展過程及其應力分布。三元同軸熱電紗線的主裂紋首先沿x軸擴展，然后在聚酰亞胺增強絲束周圍出現裂紋偏轉，主裂紋分裂成兩個裂紋，聚酰亞胺增強絲束對碲化鉍合金起到增韌效應（圖2d）。

圖2 三元同軸熱電紗線的動態力學及電學結構穩定性研究

3. 熱電織物的設計及溫差發電性能研究

我們利用半自動小樣機織機，利用傳統紡織紗線及熱電紗線，織造了三維熱電織物（圖3a-b）。所制備的熱電織物在經紗方向具有超過100%的伸長率，最小彎曲半徑約為2 mm。在ΔT=25 K時，熱電織物的輸出功率密度高達0.58 W/m2（在ΔT=80 K時，預測功率密度為6.06 W/m2）（圖3c-d），優于當前的織物基熱電器件，可與傳統無機熱電材料的柔性TEG相媲美（圖3e）。此外，熱電織物具有可機洗性，且在循環拉伸和彎曲載荷下，其內阻幾乎不受影響。在小溫差（16K）下，熱電織物可為多種電子器件提供穩定持續的電能。

圖3 熱電織物的制備及發電性能表征

4. 熱電織物的熱電傳輸機制研究

結合有限元模擬，系統研究了熱電織物在溫差發電模式下的熱電傳輸機制，并建立了基于熱電織物的熱路圖和電路圖。

圖4 熱電織物內熱電傳輸過程

5. 熱電織物的固態制冷性能研究

本文首次報道了熱電織物的固態制冷效應。經研究發現，該熱電織物在靜止空氣中表現出較為明顯的固態制冷效果，溫降約為3.1 K（環境溫度為26 oC，相對濕度為60%）。

圖5 熱電織物的固態制冷效果

本項研究工作受東華大學紡織面料技術教育部重點實驗室、東華大學科學技術研究院、國家自然科學基金、科技部重點研發計劃以及中國紡織工程學會電子紡織材料與制品科研基地等支持。論文作者感謝東華大學李煒教授團隊和中國科學院硅酸鹽所仇鵬飛研究員團隊的技術支持。

論文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2022/EE/D1EE03633E

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