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东华大学张坤研究员在柔性无机半导体基热电织物研究取得新进展

来源:高分子科学前沿|

发表时间:2022-04-06

点击:4991

相对于其它类型柔性能量转换技术,柔性热电器件是一种重要的补充技术。它具有全天候工作、无移动部件、内阻小、直流电输出等特点,并同时具有温度调控和温度传感功能,可为多数物联网用可穿戴电子器件持续供电。相比二维柔性热电器件,由热电纱线编织成的三维纺织结构热电器件(简称热电织物)具有独特优势,包括面内能量转换、三维形变及共形和穿戴舒适等特点。因此,将纺织结构与热电技术有机结合,开发柔性热电纱线及织物是重要的研究方向之一。


近期,东华大学纺织学院张坤研究员S.M.A.R.T.团队联合中国科学院物理研究所赵怀周研究员研究团队、中国科学院工程热物理所张挺研究员以及美国西北大学Jeffrey Snyder教授在柔性无机半导体基热电织物方面取得新进展,研究成果“Durable, stretchable and washable inorganic-based woven thermoelectric textiles for power generation and solid-state cooling”发表在英国皇家化学学会期刊《Energy & Environmental Science》。东华大学纺织学院博士生郑园园为第一作者,张坤研究员为通讯作者,中国科学院物理研究所李国栋副研究员为联合通讯作者。



论文的研究要点包括:


1. 三元同轴串珠状碲化铋基柔性热电纱线的制备与热电性能研究


结合简易冷压及超高温快速退火技术,制备了p型(BST w/-UHS)和n型(BTS w/-UHS)热电臂交替排列的串珠状碲化铋基热电纱线并研究了其在不同温度下的热电输出性能(图1)。热电纱线的zT值在315 K时分别为0.96和1.12,并在温度为~360 K时,其zT值达到最大值,分别为1.0和1.2。


图1 串珠状碲化铋基热电纱线及其热电性能


2. 三元同轴串珠状碲化铋基热电纱线的动态力学及电学结构稳定性研究


首先,通过三点弯曲及原位电阻测量实验来研究热电纱线在弯曲载荷作用下的动态力学及电学性能稳定性(图2a-c)。在弯曲载荷作用下,三元同轴热电纱线的吸收能最大(3.46 mJ),且电阻稳定性最好。进一步地,采用有限元分析的方法从理论上研究了准静态三点弯曲载荷作用下的裂纹扩展过程及其应力分布。三元同轴热电纱线的主裂纹首先沿x轴扩展,然后在聚酰亚胺增强丝束周围出现裂纹偏转,主裂纹分裂成两个裂纹,聚酰亚胺增强丝束对碲化铋合金起到增韧效应(图2d)。


图2 三元同轴热电纱线的动态力学及电学结构稳定性研究


3. 热电织物的设计及温差发电性能研究


我们利用半自动小样机织机,利用传统纺织纱线及热电纱线,织造了三维热电织物(图3a-b)。所制备的热电织物在经纱方向具有超过100%的伸长率,最小弯曲半径约为2 mm。在ΔT=25 K时,热电织物的输出功率密度高达0.58 W/m2(在ΔT=80 K时,预测功率密度为6.06 W/m2)(图3c-d),优于当前的织物基热电器件,可与传统无机热电材料的柔性TEG相媲美(图3e)。此外,热电织物具有可机洗性,且在循环拉伸和弯曲载荷下,其内阻几乎不受影响。在小温差(16K)下,热电织物可为多种电子器件提供稳定持续的电能。


图3 热电织物的制备及发电性能表征


4. 热电织物的热电传输机制研究


结合有限元模拟,系统研究了热电织物在温差发电模式下的热电传输机制,并建立了基于热电织物的热路图和电路图。


图4 热电织物内热电传输过程


5. 热电织物的固态制冷性能研究


本文首次报道了热电织物的固态制冷效应。经研究发现,该热电织物在静止空气中表现出较为明显的固态制冷效果,温降约为3.1 K(环境温度为26 oC,相对湿度为60%)。


图5 热电织物的固态制冷效果


本项研究工作受东华大学纺织面料技术教育部重点实验室、东华大学科学技术研究院、国家自然科学基金、科技部重点研发计划以及中国纺织工程学会电子纺织材料与制品科研基地等支持。论文作者感谢东华大学李炜教授团队和中国科学院硅酸盐所仇鹏飞研究员团队的技术支持。


论文链接:https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2022/EE/D1EE03633E


封面图源自于图虫创意


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