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研究背景
热电器件(TED)基于塞贝克效应和珀尔帖效应，可逆地转换热量和电能。对于自供电可穿戴电子设备、热触觉和个性化体温调节等新兴应用，热电半导体器件必须具有高度柔性或可拉伸性，以便通过与曲面保持适形接触来实现有效的热传递和能量转换。然而如何在不影响热电半导体器件性能的前提下实现理想的可拉伸性仍然是一项技术挑战。
在硅树脂弹性体中嵌入无机刚性热电(TE)材料是制造柔性TED的一种有效方法。TE粒子呈π形排列，由n型和p型热电脚组成，从而实现了有效的热电能量转换，而周围的弹性体则提供了机械灵活性。由于无机热电材料具有较高的塞贝克系数，而且冷热两面分离，因此与有机半导体和薄膜器件配置相比，这种方法具有更强的能量转换能力。最近，通过三维螺旋结构和基于镓的液态金属(LM)互联等创新解决方案，出现了可拉伸 TED。在这类器件中，薄膜的波浪形结构或 LM 导体的流动性都能实现拉伸，但拉伸受到弹性体的可拉伸性和嵌入式刚性元件造成的应力集中的限制。
通过加入软物质实现的共形接触对于热电设备的高效传热至关重要。然而，通过使用软性和可拉伸功能材料以及优化热管理设备结构，这些设备的性能可以得到显著提高。从材料的角度来看，采用可拉伸的热界面材料作为接触面、降低中间层的热传导率、以及精确控制层尺寸都为提高柔性可拉伸热电模块的性能提供了广阔的前景。在适用于可拉伸 TED 的导热材料中，液态金属弹性体复合材料因其简单的制造工艺、可调的微结构、低刚度和高导电率而脱颖而出。这是因为，与固态填料不同，液相夹杂物可软化聚合物，或根据液滴大小和聚合物基质的选择，将刚度效应降至最低。此外，嵌入式LM 粒子的高热导率(20-30Wm-1K-1)有利于热量传递到热电材料。一项研究表明，与原始弹性体相比，在界面上采用液态金属嵌入弹性体可显著提高热电性能，这标志着液态金属复合材料首次应用于 TED。然而，低温梯度下的高效热电能量转换尚未实现，而这对于可穿戴 TEG 和利用室温下的体热为电子产品供电至关重要。尽管 TED 取得了重大进展，并出现了形状记忆致动等新应用，但这类可拉伸电子器件尚未充分发挥其潜力。这主要是由于热电能量转换率低以及耐久性、坚固性和制造工艺等问题带来的挑战。
研究成果
柔性热电设备(TED)具有对曲面的适应性，在小规模发电和热管理方面具有巨大潜力。然而，它们往往在拉伸性、能量转换或坚固性方面大打折扣，从而限制了其应用。华盛顿大学Mohammad H. Malakooti教授团队介绍了三维软架构、多功能复合材料、自愈合液态金属导体和刚性半导体的应用，以克服这些挑战。这些 TED 具有极强的可拉伸性，可在高达 230% 的应变水平下工作。其独特的设计经过多物理场模拟验证，在 10℃ 的低温梯度条件下可实现 115.4uWcm-2的高功率密度。这是通过三维打印多功能弹性体和研究三种不同的隔热填充率(0%、12%和100%)对热电能量转换和结构完整性的影响实现的。这种工程结构重量更轻，能有效保持热电半导体的温度梯度，从而提高输出电压，改善加热和冷却性能。此外，这些热电半导体还具有出色的抗损坏能力，即使在 50%应变下经过多次穿刺和 2000次拉伸循环后，仍能保持完全正常的功能。当与 3D 打印散热片集成时，它们可以为可穿戴传感器供电、为电池充电，并通过在室温下清除人体热量为LED提供照明，从而展示了其作为可自我维持的电子产品的应用。相关研究以“3D Soft Architectures for Stretchable Thermoelectric Wearables with Electrical Self-Healing and Damage Tolerance”为题发表在Advanced Materials期刊上。
图文导读
Figure 1. High-performance， stretchable thermoelectric device (TED) with 3D soft architectures.
Figure 2. Enhanced energy conversion through soft-matter engineering.
Figure 3. Electromechanical response and self-healing.
Figure 4. Macro-TED with the 3D soft architecture for higher energy harvesting performance and applications.
总结与展望
作者报道了一种柔性可拉伸的热电器件，它具有前所未有的能量密度和物理稳健性，非常适合可穿戴和可自我维持电子设备等新兴应用。利用多物理场建模，我们分析了各种器件架构，目的是在嵌入式热电半导体上维持长时间的温度梯度。我们的实验验证证实了带有气囊的TED 以及核心层由绝缘弹性体复合材料制成的支撑结构的有效性。这种带有定制多功能复合材料的特定设备结构不仅显示出较高的热电能量转换率，而且还表现出显著的结构完整性，在出现电气故障之前可承受高达230%的拉伸应变。
在对这些可拉伸 TED 的损伤耐受性进行分析后，我们的研究结果表明，在被尖锐物体刺穿前后，电阻、机电响应、能量收集性能以及主动加热和冷却功能均无明显变化。即使在50%应变、超过 2000 次循环的情况下，受损器件仍能表现出电气自愈性和稳定性，这归功于在这些 TED 中加入了液态金属导体和使用了超软弹性体复合材料。此外，我们还通过制造由96 个硬质 TE 颗粒组成的"MacrO-TED"，展示了我们的设计和3D打印工艺的可扩展性。此外，我们还在 TED 上直接打印了一个软质三维结构，作为可拉伸的散热片，以加强设备的内部热通量管理。这种配备了散热片的 Macro-TED 功率密度峰值为 115.4uWcm-2，在10℃ 的低温梯度下稳定在 16.1 uWcm-2。我们的数据证实了在强制空气对流条件下热电能量转换的进一步改善，同时我们成功地展示了TED 在环境温度为 24℃时佩戴在身上为电子设备供电的能力，从而无需额外的能量存储设备。这些成果和演示凸显了我们的高性能、耐损伤和可拉伸热电器件在可穿戴电子设备、软机器人和自我可持续智能系统等新兴应用领域的潜力。
文献链接
3D Soft Architectures for Stretchable Thermoelectric Wearables with Electrical Self-Healing and Damage Tolerance
https://doi.org/10.1002/adma.202407073
