奧地利ISTA研究人員開發(fā)3D打印熱電材料，提升電子設(shè)備冷卻效率

2025年2月23日,，南極熊獲悉,，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,。

△相關(guān)研究題目為“界面鍵合增強(qiáng)了3D打印材料中的熱電冷卻”（傳送門）

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(wú)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(guò)將3D打印技術(shù)整合到熱電冷卻器的生產(chǎn)過(guò)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�,！�

△使用基于擠壓的3D打印技術(shù)來(lái)制造高性能熱電材料

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(guò)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�,！币虼�,，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(guò)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(shuō)：“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(lái),。”