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我国学者研制出高性能超轻柔复合热电材料

鏃ユ湡;2019-06-23  鏉ユ簮锛毼粗  浣滆咃細admin

  传统的热电材料换能电池,体积再小也无法弯曲,从而无法与热源零距离“来电”。如果能够把充电电池做得体量少、柔软度高,又能与热源完美结合,从而成为“亲密爱人”,这样的热电材料无疑成为可穿戴设备和异形设备的最佳拍挡。

  日前,中国科学院金属研究所学者研制出一种新型热电材料,该材料薄如蝉翼,可弯曲、可变形,可加厚、可加宽,还可随意进行剪裁,这种由碲化铋覆膜而成的高性能碲化铋-单壁碳纳米管的柔性热电材料,堪称全球最薄、最软的热电换能电池。

  热电材料是一种不需任何外力即能将热能与电能相互转换的绿色能源材料,它能够利用生活、生产中的“废热”进行发电,从而被广泛应用于温差电池供电、微系统芯片控温制冷等领域,如温差发电手表,自供电心脏起搏器等。而传统的热电材料如碲化铋在实际应用中其因硬度较大,无法紧密贴合具有复杂形状的热源表面,如热源管道、人体体表等处,导致热量不能被充分被利用,从而降低了热电转化效率,难以适应热电器件日趋微型化和高度集成化发展的今天。因此,如何获取高性能柔性热电材料成为近年来该领域研究的重点和难点。

  中科院沈阳金属研究所此次获取的纳米级新型柔性热电材料,解决了柔性可穿戴电子产品对自供电系统的需求。2015年,该研发团队开始进行柔性热电材料结构设计与材料制备的研究,他们通过大量实验发现,该自支撑结构的复合材料具有良好的弯曲变形性能,使用离子束、飞秒激光等微/纳加工方法,就可将其裁剪成任意几何形状,并可转移到各种类型的基底上,从而能够灵活方便地制备出各种结构的热电器件,实现器件的微型化与高度集成化,甚至可以通过非接触式的静电力来操控该复合热电材料。这种非接触式的静电力有些类似秋冬季节时,气候干燥使头发产生静电时的力。

  由于这种热电材料表现出极轻柔的特性,同时具有优异的热电转化效率,性能上又与商用块体脆性热电材料相当,发电功率能达到微瓦每平方厘米量级,这样的新材料无疑将是热电材料界的“新宠”。

  这种新型的热电材料被剪裁成适宜的形状,从而达到与热源表面的紧密贴合,当它与人体皮肤接触时也毫无异物感。如果把它做为换能电池,即可以利用人体的皮肤直接发电,这将使人们的穿戴类电子产品不再需要外接电源进行充电,身体的热量就完全可以成为电池的‘加油站’。

  据悉,这种复合材料的制备原理和技术同样适用于其他具有弱范德华力连接的层状结构半导体材料体系,在柔性光电、铁电、锂电等柔性半导体材料和器件领域具有广泛的应用前景。

  碲化铋-单壁碳纳米管复合材料经飞秒激光裁剪后,呈现良好弯曲柔性和伸展性。


 
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