本发明专利技术涉及一种可拉伸多孔结构的面外型热电器件，属于柔性热电能量转换技术领域。该热电器件由以下结构组成：由导电布构成的顶电极(1)和底电极(4)，由低热导率的柔性多孔材料和热电材料组成的p型热电臂(2)和n型热电臂(3)，由柔性可拉伸的高导热薄膜(5)和高导热的金属界面层(6)组成的柔性高导热基底。本发明专利技术所要解决的技术问题是：构筑热电能量转换功能与三维多孔结构一体化的弹性材料，获得可拉伸热电材料；设计热电器件电极结构、降低热电器件与热源之间的界面热阻，提升热电器件冷热两侧实际温差，提高器件输出电压性能，实现器件利用人体体温发电的可穿戴电源应用的可拉伸应用。应用。应用。
【技术实现步骤摘要】
一种可拉伸多孔结构的面外型热电器件
[0001]本专利技术涉及一种可拉伸多孔结构的面外型热电器件，属于柔性热电能量转换
技术介绍
[0002]应用于可穿戴传感系统的器件应该具有可持续工作、独立性、免保养、机械柔性等特点。毫无疑问在传感和信号传输过程中，电源是不可缺少的一部分。但是当下供电单元成为了可穿戴传感网络实现上述功能的最大的限制，因为目前应用最广泛的电源系统是块体电池，其带来了一系列诸如可穿戴柔性问题、频繁充电问题和电池更换等问题。由于越来越多的传感器被应用于远程控制场景，因此无需外部供电单元供应的自供电传感器件变得尤为重要。换言之，实际的应用需求对自供电传感系统提出了越来越高的需求。
[0003]可穿戴柔性传感器在获取和传输信号的过程中大多需要微瓦至毫瓦级的能源供应。因此，可收集低品位能量(废热能、人体运动机械能)的能源器件对驱动此种可穿戴柔性传感器件至关重要。微能源收集器件可基于多种原理：比如压电效应和摩擦电效应收集机械能，热电效应收集废热能，光伏效应收集太阳能，此类微能源收集器件在可穿戴柔性传感系统中已经被广泛研究。其中，温差发电器件是基于热电材料的塞贝克效应，将热能转化为电能，具有环境友好、体积小，结构紧凑，无运动部件等优点。具体原理为：当热流从热电材料的热端流到热电材料的冷端时，半导体热电材料内部的自由电荷(电子或空穴)也跟着定向运动，通过这种电荷运动将热能转化为电能。利用人体与外界环境建立的温差用于发电，实现柔性可穿戴设备的自供电。
[0004]目前，应用于人体体表热量收集的刚性人体温差发电器件，存在着器件制造成本高，可靠性差、不便于穿戴等问题。此外，人们将目光转向柔性可穿戴温差发电器件。虽然国际上对柔性热电器件的研究有了一定进展，但目前仍然存在四个主要挑战。第一，基于高性能无机热电材料的柔性器件，由于热电材料较高的热导率，在人体应用中很难在热电材料两侧建立温差；第二，现有的柔性热电器件，使用较低热导率的高分子基底，造成较大的热损耗，不利于热能利用。第三，现有的柔性热电器件受限于电极的不可拉伸性，因此器件本身不具有可拉伸性；第四，柔性热电器件基底与热源之间接触热阻较大，使热电臂两侧实际温差较小，影响热电转换效率。
技术实现思路
[0005]本专利技术所要解决的技术问题是：构筑热电能量转换功能与三维多孔结构一体化的弹性材料，获得可拉伸热电材料；设计热电器件电极结构、降低热电器件与热源之间的界面热阻，提升热电器件冷热两侧实际温差，提高器件输出电压性能，实现器件利用人体体温发电的可穿戴电源应用的可拉伸应用。
[0006]一种可拉伸多孔结构的面外型热电器件，该热电器件由以下结构组成：由导电布构成的顶电极(1)和底电极(4)，由低热导率的柔性多孔材料和热电材料组成的p型热电臂
(2)和n型热电臂(3)，由柔性可拉伸的高导热薄膜(5)和高导热的金属界面层(6)组成的柔性高导热基底。
[0007]p型热电臂(2)和n型热电臂(3)通过银浆与顶电极(1)和底电极(4)连接，使用银浆可有效降低接触电阻。底电极(4)通过导电布自身的胶面粘在高导热薄膜(5)的上表面。金属界面层(6)通过原位生长固定在高导热薄膜(5)的下表面。
[0008]本器件制备顺序为先制备柔性可拉伸的高导热薄膜(5)，在高导热薄膜(5)下表面原位生长金属界面层(6)，将剪裁好的底电极(4)按照掩膜板粘在高导热薄膜(5)上表面的固定位置，按照掩膜板在底电极(4)表面固定位置涂银浆，将p型热电臂(2)固定在底电极(4)表面固定位置的银浆上，之后将n型热电臂(3)固定在底电极(4)表面固定位置的银浆上，将银浆涂在顶电极(1)的固定位置，之后将涂有银浆的顶电极(1)放置在p型热电臂(2)和n型热电臂(3)上表面。
[0009]上述热电器件通过底电极、p型热电臂、n型热电臂和顶电极进行π型连接，形成多对热电臂器件，其中p型热电臂和n型热电臂交叉连接，之间串联，热电臂尺寸为(3
×3×
5mm3)，热电臂之间间距为2mm。
[0010]上述热电器件所用的电极材料为导电布，导电布上表面为包覆有导电粒子的相互交织的纱线，下表面为导电胶。导电布自身具有良好的柔性和可变形性，同时具有优异的导电性。通过激光雕刻技术进行电极尺寸的切割，导电布电极的尺寸为8
×
3mm2。
[0011]上述热电器件所使用的p型热电臂(2)和n型热电臂(3)为聚氨酯/单壁碳纳米管(PU/SWCNT)多孔材料，热电材料SWCNT通过超声技术包覆在柔性PU多孔材料表面，促使电热分离，在具有较大热阻的同时具有良好的电导率。本专利技术中PU/SWCNT多孔材料的热导率要远低于无机热电材料和常规的有机热电材料，为热电臂两侧建立大温差提供保障。热电臂的具体制备工艺如下：
[0012](1)p型热电臂的制备
[0013]称量20mg的SWCNT粉末放入坩埚中，使用管式炉在氮气氛围下进行热处理。60min内将温度从室温升到400℃。在400℃下保温20min。之后进行自然冷却，温度降到室温后取出SWCNT。
[0014]经热处理的SWCNT加入到50g的乙醇溶液中，进行超声分散30min，使SWCNT溶液充分分散。
[0015]将裁剪好的PU多孔立方块(3
×3×
5mm3)放入分散好的SWCNT溶液中，继续进行超声处理60min。之后将PU/SWCNT块取出，在60℃的烘箱中干燥6h，得到具有低热导率的p型热电臂。
[0016](2)n型热电臂的制备
[0017]称量50g的乙醇和0.1g的聚乙烯亚胺(PEI)，在磁力搅拌器上搅拌30min，使PEI分散在乙醇溶液中。称量20mg的SWCNT倒入PEI
‑
乙醇溶液中，磁力搅拌24h，使SWCNT氨基化。之后将搅拌过的SWCNT溶液进行超声分散30min，使SWCNT在溶液中充分分散。
[0018]将裁剪好的PU多孔立方块(3
×3×
5mm3)放入溶液中，继续进行超声处理60min。之后将PU/SWCNT块取出，在60℃的烘箱中干燥6h，得到具有低热导率的n型热电臂。
[0019]上述热电器件所使用的高导热薄膜(5)为聚二甲基硅氧烷/氮化硼
‑
四氧化三铁(PDMS/BN
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Fe3O4)，通过在高导热的BN粉末表面合成磁性物质Fe3O4，之后将PDMS溶液与BN
‑
Fe3O4粉末混合，在磁场作用下进行固化，使PDMS/BN
‑
Fe3O4内部的BN
‑
Fe3O4微米片垂直于PDMS/BN
‑
Fe3O4薄膜表面，进一步提高PDMS/BN
‑
Fe3O4面外热导率。使PDMS/BN
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Fe3O4同时具有大的可拉伸性和高的面外热导率。PDMS/BN
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Fe3O4薄膜的制备流程为：
[0020]使用氢氧化钠本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种可拉伸多孔结构的面外型热电器件，其特征在于：该热电器件由以下结构组成：由导电布构成的顶电极(1)和底电极(4)，由低热导率的柔性多孔材料和热电材料组成的p型热电臂(2)和n型热电臂(3)，由柔性可拉伸的高导热薄膜(5)和高导热的金属界面层(6)组成的柔性高导热基底；p型热电臂(2)和n型热电臂(3)通过银浆与顶电极(1)和底电极(4)连接，使用银浆可有效降低接触电阻；底电极(4)通过导电布自身的胶面粘在高导热薄膜(5)的上表面；金属界面层(6)通过原位生长固定在高导热薄膜(5)的下表面。2.根据权利要求1所述的一种可拉伸多孔结构的面外型热电器件，其特征在于：制备顺序为先制备柔性可拉伸的高导热薄膜(5)，在高导热薄膜(5)下表面原位生长金属界面层(6)，将剪裁好的底电极(4)按照掩膜板粘在高导热薄膜(5)上表面的固定位置，按照掩膜板在底电极(4)表面固定位置涂银浆，将p型热电臂(2)固定在底电极(4)表面固定位置的银浆上，之后将n型热电臂(3)固定在底电极(4)表面固定位置的银浆上，将银浆涂在顶电极(1)的固定位置，之后将涂有银浆的顶电极(1)放置在p型热电臂(2)和n型热电臂(3)上表面。3.根据权利要求1或2所述的一种可拉伸多孔结构的面外型热电器件，其特征在于：上述热电器件通过底电极、p型热电臂、n型热电臂和顶电极进行π型连接，形成多对热电臂器件，其中p型热电臂和n型热电臂交叉连接，之间串联，热电臂尺寸为3
×3×
5mm3，热电臂之间间距为2mm。4.根据权利要求1或2所述的一种可拉伸多孔结构的面外型热电器件，其特征在于：上述热电器件所用的电极材料为导电布，导电布上表面为包覆有导电粒子的相互交织的纱线，下表面为导电胶；导电布自身具有柔性和可变形性，同时具有导电性；通过激光雕刻技术进行电极尺寸的切割，导电布电极的尺寸为8
×
3mm2。5.根据权利要求1或2所述的一种可拉伸多孔结构的面外型热电器件，其特征在于：上述热电器件所使用的p型热电臂(2)和n型热电臂(3)为聚氨酯/单壁碳纳米管(PU/SWCNT)多孔材料，热电材料SWCNT通过超声技术包覆在柔性PU多孔材料表面，促使电热分离。6.根据权利要求5所述的一种可拉伸多孔结构的面外型热电器件，其特征在于：p型热电臂(2)的具体制备工艺如下：称量20mg的SWCNT粉末放入坩埚中，使用管式炉在氮气氛围下进行热处理；60min内将温度从室温升到400℃；在400℃下保温20min；之后进行自然冷却，温度降到室温后取出SWCNT；经热处理的SWCNT加入到50g的乙醇溶液中，进行超声分散30min，使SWCNT溶液充分分散；将裁剪好的PU多孔立方块3
×3×
5mm3放入分散好的SWCNT溶液中，继续进行超声处理60min；之后将PU/SWCNT块取出，在60℃的烘箱中干燥6h，得到具有低热导率的p型热电臂。7.根据权利要求5所述的一种可拉伸多孔结构的面外型热电器件，其特征在于：n型热电臂(3)的具体制备工艺如下：称量50g的乙醇和0.1g的聚乙烯亚胺(PEI)，在磁力搅拌器上搅拌30min，使PEI分散在乙醇溶液中；称量20mg的SWCNT倒入PEI
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乙醇溶液中，磁力搅拌24h，使SWCNT氨基化；之后将搅拌过的SWCNT溶液进行超声分散30min...
【专利技术属性】
技术研发人员：王瑶，王亚龙，邓元，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：
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