2025年2月23日，奧地利科學技術(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。這項研究已發(fā)表在《Science》雜志上，揭示了一種提高電子設備熱量管理效率的新途徑，它的應用范圍非常廣泛，包括可穿戴設備和醫(yī)療治療領域。
 

       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，且伴隨著材料浪費問題。熱電冷卻器，作為固態(tài)制冷器的一種，利用電流實現(xiàn)熱量在設備內(nèi)部的傳遞，從而達到局部冷卻的效果。它們具有使用壽命長、不泄漏、可定制尺寸和形狀、無運動部件等優(yōu)點，非常適合用于電子產(chǎn)品等冷卻應用。然而，傳統(tǒng)的熱電冷卻器制造成本高昂，材料浪費嚴重，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。這個項目由能源科學聯(lián)合體教授兼沃納西門子熱電實驗室負責人Maria Ibáñez領導，第一作者兼ISTA博士后Shengduo Xu強調(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，為熱電冷卻器的廣泛應用鋪平了道路。”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)級性能，我們的工作有可能超越學術(shù)界，具有實際意義，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，而且耗能嚴重。生產(chǎn)過程需要大量機械加工，導致大量材料浪費。Shengduo Xu指出：“我們的研究實現(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的材料科學家團隊提出了一種創(chuàng)新的、可擴展且經(jīng)濟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步驟。
 

優(yōu)化顆粒結(jié)合
     研究團隊不僅將3D打印技術(shù)應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)建出堅固的材料網(wǎng)絡。這種界面化學鍵的優(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教授進一步解釋說：“我們利用基于擠壓的3D打印技術(shù)，并設計了專用的墨水配方，以確保打印結(jié)構(gòu)的完整性和促進顆粒間的結(jié)合。這使得我們能夠制造出性能與傳統(tǒng)基于錠設備相當?shù)臒犭娎鋮s器，同時實現(xiàn)了材料和能源的節(jié)約。”
 

潛在應用前景
      熱電冷卻器除了在電子設備和可穿戴設備中實現(xiàn)快速熱量管理外，還可應用于醫(yī)療領域，如燒傷治療和肌肉拉傷緩解。ISTA研究團隊開發(fā)的油墨配方方法，同樣適用于高溫熱電發(fā)電機（一種利用溫差產(chǎn)生電壓的設備）。這種方法有望將熱電發(fā)電機的應用擴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，預示著高效、可持續(xù)熱電技術(shù)新時代的到來。”

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