2025年2月23日，奧地利科學(xué)技術(shù)研究所（ISTA）研究人員開發(fā)出了一種用于3D打印的高性能熱電材料，并構(gòu)建了熱電冷卻器。這項(xiàng)研究已發(fā)表在《Science》雜志上，揭示了一種提高電子設(shè)備熱量管理效率的新途徑，它的應(yīng)用范圍非常廣泛，包括可穿戴設(shè)備和醫(yī)療治療領(lǐng)域。
 

       熱電材料具備將溫差轉(zhuǎn)換成電壓，或者將電壓轉(zhuǎn)換成溫差的獨(dú)特能力，但傳統(tǒng)的熱電材料效率較低，生產(chǎn)成本高，且伴隨著材料浪費(fèi)問題。熱電冷卻器，作為固態(tài)制冷器的一種，利用電流實(shí)現(xiàn)熱量在設(shè)備內(nèi)部的傳遞，從而達(dá)到局部冷卻的效果。它們具有使用壽命長(zhǎng)、不泄漏、可定制尺寸和形狀、無運(yùn)動(dòng)部件等優(yōu)點(diǎn)，非常適合用于電子產(chǎn)品等冷卻應(yīng)用。然而，傳統(tǒng)的熱電冷卻器制造成本高昂，材料浪費(fèi)嚴(yán)重，性能也有所限制。
     通過將3D打印技術(shù)整合到熱電冷卻器的生產(chǎn)過程中，顯著提升了制造效率并降低了成本。這個(gè)項(xiàng)目由能源科學(xué)聯(lián)合體教授兼沃納西門子熱電實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人Maria Ibáñez領(lǐng)導(dǎo)，第一作者兼ISTA博士后Shengduo Xu強(qiáng)調(diào)：“3D打印技術(shù)的融入不僅提高了熱電冷卻器的制造效率，而且減少了材料浪費(fèi)，為熱電冷卻器的廣泛應(yīng)用鋪平了道路。”Ibáñez：“表示，與之前3D打印熱電材料的嘗試相比，目前的方法可以生產(chǎn)出性能更高的材料。憑借商業(yè)級(jí)性能，我們的工作有可能超越學(xué)術(shù)界，具有實(shí)際意義，能夠吸引那些尋求創(chuàng)新解決方案人群的關(guān)注和興趣。”
 

熱電技術(shù)

      目前，最先進(jìn)的熱電冷卻器依賴于基于錠的制造技術(shù)，該技術(shù)不僅成本高昂，而且耗能嚴(yán)重。生產(chǎn)過程需要大量機(jī)械加工，導(dǎo)致大量材料浪費(fèi)。Shengduo Xu指出：“我們的研究實(shí)現(xiàn)了使用3D打印技術(shù)直接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3D打印出的材料性能可與成本更高的傳統(tǒng)材料相媲美。”因此，ISTA的材料科學(xué)家團(tuán)隊(duì)提出了一種創(chuàng)新的、可擴(kuò)展且經(jīng)濟(jì)高效的熱電材料生產(chǎn)方法，有效避免了傳統(tǒng)制造過程中的高能耗和耗時(shí)步驟。
 

優(yōu)化顆粒結(jié)合
     研究團(tuán)隊(duì)不僅將3D打印技術(shù)應(yīng)用于熱電材料的生產(chǎn)，還開發(fā)了一種特殊油墨，使得在載體溶劑蒸發(fā)后，晶粒之間形成有效的原子鍵，從而構(gòu)建出堅(jiān)固的材料網(wǎng)絡(luò)。這種界面化學(xué)鍵的優(yōu)化顯著改善了晶粒間的電荷轉(zhuǎn)移，從而提升了3D打印材料的熱電性能，并為多孔材料的傳輸特性提供了新的研究視角。
      Ibáñez教授進(jìn)一步解釋說：“我們利用基于擠壓的3D打印技術(shù)，并設(shè)計(jì)了專用的墨水配方，以確保打印結(jié)構(gòu)的完整性和促進(jìn)顆粒間的結(jié)合。這使得我們能夠制造出性能與傳統(tǒng)基于錠設(shè)備相當(dāng)?shù)臒犭娎鋮s器，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了材料和能源的節(jié)約。”
 

潛在應(yīng)用前景
      熱電冷卻器除了在電子設(shè)備和可穿戴設(shè)備中實(shí)現(xiàn)快速熱量管理外，還可應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域，如燒傷治療和肌肉拉傷緩解。ISTA研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的油墨配方方法，同樣適用于高溫?zé)犭姲l(fā)電機(jī)（一種利用溫差產(chǎn)生電壓的設(shè)備）。這種方法有望將熱電發(fā)電機(jī)的應(yīng)用擴(kuò)展到各種廢物能量收集系統(tǒng)中。
     Ibáñez教授表示：“我們采用了全周期方法，從優(yōu)化原材料的熱電性能到制造出穩(wěn)定、高性能的最終產(chǎn)品。”Shengduo Xu教授補(bǔ)充道：“我們的研究為熱電裝置的生產(chǎn)提供了革命性的解決方案，預(yù)示著高效、可持續(xù)熱電技術(shù)新時(shí)代的到來。”

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