数字可编程与可扩展激光制造：兼具卓越性能与机械柔性的可重复使用碲化铋基热电材料

《npj Flexible Electronics》：Digital and scalable laser-based fabrication of reusable bismuth telluride thermoelectrics with superior performance and mechanical flexibility

本期推荐：研究人员针对当前热电材料在可穿戴和物联网（IoT）应用中受到尺寸、形状和可扩展性限制的问题，开展了基于激光粉末床融合（LPBF）技术的柔性热电材料与器件研究。他们成功打印出性能优异、机械柔性良好的n型Bi2Te3和p型Bi0.5Sb1.5Te3材料，并集成制备了柔性平面器件。该器件在40K温差下输出功率达70μW，可承受超过500次弯曲循环，损坏后还能通过热压进行修复。这项工作展示了数字制造的多功能柔性热电材料在下一代能量收集和热管理方面的巨大潜力。

　　

在智能手表监测心率、智能服装调节温度、遍布工厂与家庭的无数传感器默默工作的背后，是万物互联（IoT）与可穿戴电子设备蓬勃发展的浪潮。这些设备形态各异，功能需求多样，对为其供电的能源提出了新的挑战：传统的刚性电池不仅占据了宝贵的空间，其有限的续航和固定的形状也制约了设备的创新设计。有没有一种技术，能够从环境中无处不在的废热中“汲取”能量，转化为电能，同时还能按需提供加热或冷却，实现一体化的热管理？热电（TE）材料，这种能将热能与电能直接相互转换的神奇材料，似乎正是理想答案。它结构紧凑、无活动部件、可靠性高，堪称微型电子设备的“理想能源管家”。

然而，理想丰满，现实却有些“骨感”。当前主流的热电材料，如性能优异的碲化铋（Bi₂Te₃）基材料，通常采用传统的熔融生长或烧结工艺制备。这些方法虽然能产出高性能块体材料，却在“形式”与“规模”上遇到了瓶颈。一方面，它们难以制造出复杂形状、超薄或柔性的结构，这与可穿戴设备需贴合人体曲线、物联网节点需附着于各种弯曲表面的需求格格不入。另一方面，传统工艺的制造规模难以扩大，成本较高，限制了热电技术的广泛应用。简而言之，我们空有性能优异的“热电之心”，却缺少能为各种新潮电子设备“量体剪裁”出合适“躯壳”的先进制造方法。

为了解决这些瓶颈，并推动柔性、可穿戴电子与物联网的能源自给与智能热管理，一项发表于《npj Flexible Electronics》的研究带来了突破。研究团队展示了一种全新的解决方案：利用数字化的激光粉末床融合（LPBF）增材制造（俗称3D打印）技术，直接“打印”出高性能、可弯曲甚至可回收再利用的柔性热电材料与器件。这项研究如同一座桥梁，将高性能热电材料与先进的数字化制造工艺连接起来，为按需定制、功能集成的下一代柔性电子设备开辟了新道路。

为了开展这项研究，研究人员主要采用了几个关键技术方法：一是优化n型Bi₂Te₃和p型Bi_0.5Sb_1.5Te₃粉末作为原料；二是利用激光粉末床融合（LPBF）技术进行数字化、可扩展的激光打印成型；三是将打印出的热电臂集成组装成平面柔性器件；四是采用热压工艺对受损器件进行修复；五是设计了“主动冷却鳍片”构型，以实现曲面上的高效穿平面热能收集。性能表征则包括测量材料的塞贝克系数、电导率以计算功率因子（PF）和品质因数（zT），以及测试柔性器件在弯曲状态和循环弯曲下的输出功率、电阻稳定性及Peltier冷却效应。

材料表征与优化

研究团队首先对用于LPBF工艺的n型Bi₂Te₃和p型Bi_0.5Sb_1.5Te₃粉末材料进行了优化。通过激光打印工艺参数的精调，他们成功制备出了致密、结晶性良好的热电材料。微观结构分析显示，打印出的材料具有典型的层状结构特征。最关键的性能指标——功率因子（PF, Power Factor），在室温下达到了超过1200 μW m^?1K^?2的优异水平，这使得计算得到的材料热电优值（zT, figure of merit）大于0.2。这一结果证明了激光打印不仅能够成型，还能直接制造出具备良好热电性能的材料，为后续器件集成奠定了基础。

柔性器件的制造与性能

基于打印出的高性能材料，研究人员将它们切割成小型热电臂（legs），并通过柔性电路板（FPC）和焊料将其连接，集成为一个平面型的柔性热电发生器（TEG, Thermoelectric Generator）。这个面积约为8.3 cm²的器件，在两端施加40 K的温差（ΔT）时，能够输出高达70 μW的电功率。更重要的是，其柔性特质得到了充分验证：即使被弯曲到小至7.5 mm的弯曲半径，器件仍能保持正常的电气功能；在经过超过500次的重复弯曲循环测试后，其电阻仅发生微小变化，展现了出色的机械耐久性。

可修复性与可回收性设计

这项研究的另一个亮点是赋予了器件“第二次生命”。为了应对柔性电子产品在实际使用中可能因极端弯折而损坏的风险，研究人员设计了可修复结构。当器件因过度弯曲导致热电臂与电极断开时，可以通过简单的热压工艺进行局部再加工，使断开的连接重新建立，从而部分恢复器件的性能。此外，整个器件被设计成易于拆卸的结构，可以简便地分离成“半器件”模块，这为未来回收和再利用其中宝贵的热电印刷材料（如碲、铋等）提供了可能，体现了可持续的设计理念。

“主动冷却鳍片”应用演示

为了展示该平台的实用多功能性，研究者创新性地提出了“主动冷却鳍片”的概念。他们将柔性热电器件缠绕在圆柱形热源（模拟热水管）表面，利用器件的Peltier效应（当电流通过两种不同导体的结点时，结点处会吸热或放热的现象）主动增强热提取。在真实环境下的家庭供暖系统热水管测试中，这种构型可以从管道表面收集到高达27 μW的电能。同时，他们也演示了器件快速、可逆的主动冷却能力：在通电后几秒钟内，器件冷端温度就能降至比室温低约3°C的水平，这为可穿戴设备的局部精准温控提供了可能。

研究结论与讨论

本研究成功地开发并展示了一个基于激光粉末床融合技术的数字化、可扩展制造平台，用于生产高性能、机械柔性且具备可修复与可回收潜力的碲化铋基热电材料与器件。核心结论包括：第一，优化的LPBF工艺可以直接打印出功率因子超过1200 μW m^?1K^?2、zT > 0.2的热电材料，打破了“增材制造难以获得高性能热电材料”的固有印象。第二，所集成的柔性平面器件在40 K温差下输出功率达70 μW，并展现出卓越的弯曲稳定性（弯曲半径7.5 mm，循环超过500次）。第三，通过热压修复和模块化设计，首次在这一类器件中实现了可修复性与可回收性，提升了产品的生命周期和环境友好性。第四，创新的“主动冷却鳍片”构型，验证了该柔性热电平台在真实曲面热源上进行高效穿平面热能收集和主动热管理的双重能力。

这项工作的重要意义在于，它不仅仅是一种新材料的制备，更是一种融合了材料、制造与系统设计的范式创新。它将数字化增材制造的“设计自由、快速成型、易于扩展”的优势，与高性能热电材料的“能量转换与热管理”功能相结合，为解决物联网节点、可穿戴设备及其它柔性电子系统的分布式供能与智能热管理需求提供了切实可行的技术路径。它标志着热电技术从传统的刚性块体器件，向可按需定制、功能集成、环境可持续的柔性智能系统部件迈进的关键一步，为下一代电子设备的发展打开了新的想象空间。