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《AFM》1秒自修复!可伸缩!可3D打印的有机热电体!
发布:Iron_MAN10   时间:2019/10/29 9:05:33   阅读:1326 
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随着现代科技的不断发展,人类对于可穿戴设备需求不断增加,电子电气产品也在迅速转型,以满足实际应用需求。相较于传统的脆性无机材料,有机材料,特别是聚合物材料由于其本身的柔韧性,适用于制造包括可伸缩逻辑器件、生物传感器和电子皮肤在内的一系列新型可穿戴设备。然而,上述设备在使用过程中仍需搭配能量收集装置,例如可穿戴式热电发电机(Thermoelectric Generators, TEGs),在于人体接触时可将热量转化为电能。

目前报道的TEGs器件虽具有较高的热电性能指标,但由于其本身的伸缩性能有限,导致在长期连续的外力作用下将产生局部缺陷,导致热电性能退化。此外,热电材料在使用过程中存在一定的断裂损坏风险,因此赋予材料快速响应自修复性能显得尤为关键,可通过动态键合(氢键、共价键、离子键等)实现。传统的TEGs制备常采用卷对卷印刷工艺,对于构筑随机形状的三维物体仍有一定的局限性,可引入3D打印技术加以优化。
 

基于此背景,近日,阿卜杜拉国王科技大学的Derya Baran教授团队在材料科学领域著名刊物《Advanced Functional Materials》上发表了名为“Self-Healing and Stretchable 3D-Printed Organic Thermoelectrics”的论文。研究者将聚3,4-亚乙基二氧噻吩:聚苯乙烯磺酸(PEDOT:PSS),Triton X-100,DMSO三种物质溶液共混,在基底上涂敷,加热挥干溶剂,再缓慢退火得到三元复合薄膜,再从基底上分离得到自支撑的薄膜,其组分结构和制备工艺如图1所示,其中,PEDOT:PSS为一种P型热电体,Triton X-100作为一种表面活性剂可通过氢键作用实现自修复效果,DMSO为导电增强剂。
 

图1. 三元热电复合薄膜的组成及其制备示意图.
 
研究者对三元复合薄膜的自修复、伸缩和导电性能进行表征,如图2a和b所示,三元复合薄膜在外力作用下具有明显的可伸缩特性,应变量最高可达30%以上。当薄膜中未添加可自修复组分(Triton X-100)时,材料并不具备自修复特性,在结构被破坏后导电性能无法恢复如初,如图2c所示。值得注意的是,三元复合薄膜在被刮刀完全切断后能在1s左右实现自修复,恢复原有的导电性能,当将其接入电路中,甚至观测不到LED灯瞬间的熄灭,证实了其优异的自修复性质,如图2d和e所示。
 

图2. 三元热电复合薄膜的自修复、伸缩和导电性能测试.
 
研究者进一步通过3D打印技术制备了由三元复合材料阵列组成的TEGs器件,如图3所示,结果表明,在通电情况下,TEGs器件可提供最大为12.2nw的功率输出,升温明显,同时即使在多次切割之后,器件仍能保持超过85%的原始输出功率。
 

图3. 基于三元复合材料的3D打印TEGs器件的热电性能研究.
 
研究者通过手部的温度检测到TEGs器件能产生0.6 mV的稳定电压输出,如图4所示,实现了柔性可穿戴及热电转换,揭示了该TEGs器件在可穿戴能源收集装置领域的潜在应用价值。
 

图4. 柔性可穿戴热电体利用人体温度进行热电转换.

该研究工作报道了一种高性能的三元有机热电体,其在形变过程中具有稳定的热电性能,拉伸应变可达35%。更为重要的是,复合薄膜在被完全切断后,仅需要大约1秒即可自修复恢复其热电性能。即使经过反复切割和自修复,也能保持85%以上的初始功率输出。此外,该复合材料的制备方式极其简单,可利用3D打印获得柔性器件,未来有望应用于制造可穿戴热电发电机。

全文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201905426


?来源:高分子科学前沿
 
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