3D打印顛覆制冷工藝，50℃溫差背后的界面鍵合黑科技！

來源：EngineeringForLife

熱電冷卻器（TECs）憑借其固態(tài)、無噪音、精準(zhǔn)溫控等優(yōu)勢，在微電子、可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用前景，但傳統(tǒng)制造方法依賴高能耗工藝（如單晶生長、高壓燒結(jié)），且材料效率（zT值）受限，導(dǎo)致設(shè)備冷卻性能不足、成本高昂。盡管3D打印技術(shù)為定制化、可持續(xù)生產(chǎn)提供了新途徑，但現(xiàn)有打印材料因顆粒界面連接性差、電導(dǎo)率低等問題，其zT值遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)塊體材料，且多孔結(jié)構(gòu)難以兼顧熱導(dǎo)率與導(dǎo)電性，阻礙了高性能器件的實(shí)際集成。

因此，如何在3D打印中通過界面鍵合優(yōu)化實(shí)現(xiàn)高zT材料，并突破制造工藝與設(shè)備工程的雙重瓶頸，成為推動熱電技術(shù)規(guī)�；瘧�(yīng)用的核心挑戰(zhàn)。

鑒于此，來自奧地利科技學(xué)院（ISTA）的Shengduo Xu和Maria Ibáñez團(tuán)隊主要開發(fā)一種基于擠出式3D打印技術(shù)的高性能熱電材料制備方法，實(shí)現(xiàn)了p型(Bi,Sb)₂Te₃和n型Ag₂Se材料的高優(yōu)值（zT）和高效制冷性能，為熱電制冷器的低成本、可擴(kuò)展生產(chǎn)提供了一種新的解決方案。   

本文要點(diǎn)：

（1）3D打印技術(shù)與高性能熱電材料的結(jié)合：研究團(tuán)隊首次通過擠出式3D打印技術(shù)成功制備了高性能熱電材料，實(shí)現(xiàn)了p型(Bi,Sb)₂Te₃和n型Ag₂Se材料的高優(yōu)值（zT值分別達(dá)到1.42和1.3），并組裝出制冷溫差達(dá)50°C的熱電制冷器。這一成果不僅突破了傳統(tǒng)制造方法的限制，還顯著降低了生產(chǎn)成本和能耗。

（2）界面鍵合策略的開發(fā)：研究人員設(shè)計了特殊的墨水配方，確保在燒結(jié)過程中顆粒之間形成有效的界面鍵合，從而在多孔結(jié)構(gòu)中構(gòu)建高效的電荷傳輸通道。這種創(chuàng)新的界面鍵合策略使得3D打印的熱電材料在保持高孔隙率的同時，仍能實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的電輸運(yùn)性能。

（3）可持續(xù)制造與廣泛應(yīng)用潛力：該研究提出了一種可擴(kuò)展且具有成本效益的熱電材料生產(chǎn)方法，避免了傳統(tǒng)制造中的高能耗和浪費(fèi)問題。此外，這種3D打印技術(shù)不僅適用于熱電制冷器，還為其他半導(dǎo)體材料的增材制造提供了理論框架，有望在電子設(shè)備、可穿戴設(shè)備、醫(yī)療應(yīng)用以及能源回收等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)廣泛應(yīng)用。

本論文通過開發(fā)一種基于擠出式3D打印技術(shù)的創(chuàng)新方法，成功制備了高性能的熱電材料，實(shí)現(xiàn)了p型(Bi,Sb)₂Te₃和n型Ag₂Se材料的高優(yōu)值（zT值分別為1.42和1.3），并組裝出制冷溫差達(dá)50°C的熱電制冷器。研究團(tuán)隊通過特殊的墨水配方和界面鍵合策略，解決了傳統(tǒng)3D打印材料中因孔隙率高而導(dǎo)致的電輸運(yùn)性能不足的問題，同時避免了傳統(tǒng)制造工藝中的高能耗和復(fù)雜步驟。   

這一成果不僅為熱電制冷器的高效、低成本生產(chǎn)提供了新的解決方案，還為其他半導(dǎo)體材料的增材制造提供了理論基礎(chǔ)，展現(xiàn)出在電子設(shè)備、可穿戴技術(shù)和能源回收等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用潛力。

參考資料：https://doi.org/10.1126/science.ads0426