Das schnelle, lokalisierte Wärmemanagement ist für elektronische Geräte von wesentlicher Bedeutung und kann Anwendungen haben, die von tragbaren Materialien bis zur Verbrennung der Behandlung reichen. Während sogenannte thermoelektrische Materialien Temperaturunterschiede in die Elektrospannung umwandeln und umgekehrt, ist ihre Effizienz häufig begrenzt und ihre Produktion ist kostspielig und verschwenderisch. In einem neuen Papier veröffentlicht in WissenschaftForscher des Instituts für Wissenschaft und Technologie Österreich (ISTA) verwendeten eine 3D-Drucktechnik, um thermoelektrische leistungsstarke Materialien zu fördern und die Produktionskosten erheblich zu senken.
Thermoelektrische Kühler, auch Festkörperkühlschränke genannt, können eine lokalisierte Kühlung induzieren, indem ein elektrischer Strom verwendet wird, um die Wärme von einer Seite des Geräts auf eine andere zu übertragen. Ihre langen Lebensdauer, die Unverwundbarkeit für Lecks, Größe und Formabstimmung sowie das Fehlen beweglicher Teile (z. B. zirkulierende Flüssigkeiten) machen diese Geräte ideal für verschiedene Kühlanwendungen wie Elektronik. Die Herstellung von Ingots ist jedoch mit hohen Kosten verbunden und erzeugt viele Materialabfälle. Darüber hinaus bleibt die Leistung der Geräte begrenzt.
Jetzt ein Team am Institute of Science and Technology Österreich (ISTA) unter der Leitung Ausführlicher Professor für Energiewissenschaften Und Werner Siemens Thermoelektrisches Labor Maria Ibáñez entwickelte mit Erstautor und ISta Postdoc Shengduo Xu aus dem 3D-Drucker leistungsstarke thermoelektrische Materialien und bauten sie zum Bau eines thermoelektrischen Kühlers. „Unsere innovative Integration des 3D -Drucks in die Herstellung thermoelektrischer Kühler verbessert die Herstellungseffizienz erheblich und senkt die Kosten“, sagt Xu. Im Gegensatz zu früheren Versuchen bei thermoelektrischen 3D -Druckmaterialien liefert die vorliegende Methode Materialien mit erheblich höherer Leistung. ISTA-Professor Ibáñez fügt hinzu: „Mit der Leistung auf kommerzieller Ebene kann unsere Arbeit über die Wissenschaft hinausgehen, praktische Relevanz haben und das Interesse von Branchen wecken, die für Bewerbungen in realer Welt suchen.“
Die Grenzen der thermoelektrischen Technologien überschreiten
Während alle Materialien einen thermoelektrischen Effekt aufweisen, ist dies oft zu vernachlässigbar, um nützlich zu sein. Materialien, die einen ausreichend ausreichend ausreichend thermoelektrischen Effekt aufweisen, sind normalerweise sogenannte „degenerierte Halbleiter“, dh „dotierte“ Halbleiter, in die Verunreinigungen absichtlich eingeführt werden, damit sie sich wie Leiter verhalten. Aktuelle staatliche thermoelektrische Kühler des Stand der Technik werden unter Verwendung von IngOT-basierten Fertigungstechniken hergestellt-teure und leistungsstarke Verfahren, die nach der Produktion umfangreiche Bearbeitungsprozesse erfordern, bei denen ein Großmaterial verschwendet wird. „Mit unserer vorliegenden Arbeit können wir genau die erforderliche Form von thermoelektrischen Materialien drucken. Außerdem weisen die resultierenden Geräte einen Nettokühlungseffekt von 50 Grad in der Luft auf Die Herstellung deutlich teurer “, sagt Xu. Daher schlägt das Team von ISTA-Materialwissenschaftlern eine skalierbare und kostengünstige Produktionsmethode für thermoelektrische Materialien vor, die energieintensive und zeitaufwändige Schritte umgehen.
Gedruckte Materialien mit optimierter Partikelbindung
Abgesehen von der Anwendung von 3D -Drucktechniken zur Herstellung thermoelektrischer Materialien hat das Team die Tinten so gestaltet, dass effektive und robuste Atombindungen zwischen Körnern gebildet werden, wodurch ein atomisch verbundenes Materialnetzwerk entsteht. Infolgedessen verbessern die chemischen Grenzflächen die Ladungstransfer zwischen Körnern. Dies erklärt, wie es dem Team es gelungen ist, die thermoelektrische Leistung seiner 3D-gedruckten Materialien zu verbessern und gleichzeitig die Transporteigenschaften poröser Materialien zu beleuchten. „Wir haben eine extrusionsbasierte 3D-Drucktechnik verwendet und die Tintenformulierung entwickelt, um die Integrität der gedruckten Struktur zu gewährleisten und die Partikelbindung zu steigern. Dies ermöglichte es uns, die ersten thermoelektrischen Kühler von gedruckten Materialien mit vergleichbarer Leistung bis hin zu Ingot-basierten Geräten herzustellen, während wir sparen und Geräte sparen können. Material und Energie „, sagt Ibáñez.
Medizinische Anwendungen, Energieernte und Nachhaltigkeit
Über das schnelle Wärmemanagement in Elektronik und tragbaren Geräten hinaus können thermoelektrische Kühler medizinische Anwendungen aufweisen, einschließlich Verbrennungsbehandlung und Muskelbelastung. Darüber hinaus kann die vom Team von ISTA-Wissenschaftlern entwickelte Tintenformulierungsmethode für andere Materialien angepasst werden, die in thermoelektrischen Hochtemperaturgeneratoren verwendet werden können-Geräte, die aus einer Temperaturdifferenz eine elektrische Spannung erzeugen können. Nach Angaben des Teams könnte ein solcher Ansatz die Anwendbarkeit von thermoelektrischen Generatoren auf verschiedene Abfallergieernte -Systeme erweitern.
„Wir haben erfolgreich einen Vollzyklusansatz durchgeführt, von der Optimierung der thermoelektrischen Leistung der Rohstoffe bis hin zur Herstellung eines stabilen Hochleistungs-Endprodukts“, sagt Ibáñez. Xu fügt hinzu: „Unsere Arbeit bietet eine transformative Lösung für die Produktion thermoelektrischer Geräte und kündigt eine neue Ära effizienter und nachhaltiger thermoelektrischer Technologien an.“
