Исследователи 3D-печатают высокоэффективные стойкие термоэлектрические материалы

Быстрое, локализованное управление теплом важно для электронных устройств и может иметь применение в диапазоне от материалов для ношения до лечения ожогов. В то время как так называемые термоэлектрические материалы превращают разность температур в электрическое напряжение и наоборот, их эффективность часто ограничена, а их производство дорогостоящее и расточительное.

Исследователи из Института науки и технологий Австрии (ISTA) использовали технику 3D-печати для изготовления высокоэффективных термоэлектрических материалов, что значительно снизило затраты на производство.

Термоэлектрические охладители, также называемые твердотельными холодильниками, могут вызвать локальное охлаждение с помощью электрического тока для передачи тепла с одной стороны устройства на другую. Длительный срок службы, неуязвимость к утечкам, возможность регулировки размера и формы, а также отсутствие подвижных частей (таких как циркулирующие жидкости) делают эти устройства идеальными для различных систем охлаждения, таких как электроника.

Однако изготовление их из слитков связано с большими затратами и образованием большого количества отходов. Кроме того, производительность устройств остается ограниченной.

Теперь команда из Института науки и технологий Австрии (ISTA) во главе с профессором энергетических наук Вербунда, разработала высокоэффективные термоэлектрические материалы из термоэлектрических материалов. "Наша инновационная интеграция 3D-печати в производство термоэлектрических охладителей значительно повышает эффективность производства и снижает затраты", - говорит Сюй.

Кроме того, в отличие от предыдущих попыток 3D-печати термоэлектрических материалов этот метод дает материалы со значительно более высокими характеристиками. Профессор ISTA Ибаньес добавляет: «Благодаря производительности на коммерческом уровне, наша работа имеет потенциал выйти за пределы академических кругов, сохраняя практическую значимость и привлекая интерес отраслей, ищущих применение в реальном мире».

Хотя все материалы демонстрируют определенный термоэлектрический эффект, часто он слишком незначителен, чтобы быть полезным. Материалы, обладающие достаточно высоким термоэлектрическим эффектом, обычно являются так называемыми «вырожденными полупроводниками», то есть «легированными» полупроводниками, в которые намеренно вводят примеси, чтобы они вели себя как проводники.

Современные термоэлектрические охладители производятся с использованием технологии производства слитков – дорогостоящих и энергоемких процессов, требующих интенсивных процессов механической обработки после производства, при которых тратится много материала.

«Благодаря нашей нынешней работе мы можем 3D-печатать именно необходимую форму термоэлектрических материалов. Кроме того, получаемые устройства оказывают чистый эффект охлаждения воздуха на 50 градусов. Это означает, что наши 3D-печатные материалы работают так же, как и те, которые значительно дороже в производстве», — говорит Сюй.

Таким образом, команда ученых материалов ISTA предлагает масштабированный и экономически эффективный метод производства термоэлектрических материалов, обходя энергоемкие и трудоемкие этапы.

Кроме применения методов 3D печати для производства термоэлектрических материалов, команда разработала чернила таким образом, чтобы по мере испарения растворителя-носителя между зернами образовывались эффективные и прочные атомные связи, создавая сеть атомно связанных материалов.

В результате межфазные химические связи улучшают передачу заряда между зернами. Это объясняет, как команде удалось повысить термоэлектрические характеристики материалов напечатанных на 3D-принтере, а также пролить новый свет на транспортные свойства пористых материалов.

«Мы применили технику 3D-печати на основе экструзии и разработали рецептуру чернил, чтобы обеспечить целостность напечатанной структуры и усилить связь частиц. Это позволило нам изготовить первые термоэлектрические охладители из печатных материалов со сравнительной производительностью с устройствами на основе слитков, сэкономив материалы и энергию», — говорит Ибаньес.

Помимо быстрого управления теплом в электронике и переносных устройствах термоэлектрические охладители могут применяться в медицине, в частности для лечения ожогов и снятия напряжения мышц. Кроме того, метод сборки краски, разработанный командой ученых ISTA, можно адаптировать для других материалов, которые будут использоваться в высокотемпературных термоэлектрических генераторах – устройствах, которые могут генерировать электрическое напряжение от разности температур.

"Мы успешно реализовали подход полного цикла, от оптимизации термоэлектрических характеристик сырья до изготовления стабильного, высокопроизводительного конечного продукта", - говорит Ибаньес.

Сюй добавляет: "Наша работа предлагает трансформационное решение для производства термоэлектрических устройств и предвещает новую эру эффективных и устойчивых термоэлектрических технологий".