東華大學研發(fā)穿戴體驗良好的三維可拉伸熱電織物

針對熱電器件難以實現(xiàn)真正可穿戴應用的問題，東華大學教授江莞、王連軍和美國西北大學教授G.Jeffrey Snyder 合作，巧妙利用彎曲纖維彈性力關系實現(xiàn)熱電模塊自支撐，構筑了三維可拉伸熱電織物。該熱電器件的拉伸應變可達80%，能實現(xiàn)持續(xù)供電與人體肢體動作的兼容性；基于熱設計優(yōu)化和結構優(yōu)化，在44K 溫差下，輸出功率密度可達70mW·m-2；同時，可滿足熱電模塊非可視化的大面積熱量收集。所構筑三維熱電織物穿戴體驗良好，實現(xiàn)了適合人體運動的熱電器件的可穿戴應用。

在這項工作中，研究團隊首次提出基于靜電噴射方法將π型熱電單元精確集成到碳納米管纖維上。靜電噴射含不飽和鍵的摻雜劑可實現(xiàn)碳納米管的高效n型摻雜及準確定位。進一步利用包纏技術有效避免熱電模塊短路，有限元分析及實際測試結果表明，絕緣包纏層可增加熱電臂兩端溫差及流經(jīng)熱電臂的熱流，從而提升輸出性能。

在器件集成上，研究團隊巧妙利用嵌套線圈之間彈性力關系使熱電模塊自支撐于三維空間，實現(xiàn)人體與環(huán)境熱流方向上的熱端并聯(lián)電端串聯(lián)，從而構筑三維可拉伸熱電織物，該器件無需支撐基底，可避免輸出性能和穿戴體驗的犧牲。在拉伸和拉伸恢復過程中，熱電模塊直立角度變化賦予熱電器件＞80%的拉伸應變能力及應變恢復能力，且不損耗輸出性能。基于此，該器件實現(xiàn)了持續(xù)供電與人體肢體動作的兼容性。最終，經(jīng)結構優(yōu)化后，器件的最大輸出功率密度可達35μW·m-2·K-2。

該項研究實現(xiàn)了熱電臂微型化緊湊集成及熱電模塊非可視化的大面積熱量收集，同時巧妙整合了織物的保溫功能和熱電器件的傳熱需求，極大提高了熱電器件的可穿戴性和輸出性能，為能性熱電器件的真正可穿戴應用提供了可行的新途徑。