柔性可印刷液态金属热电发生器技术

传统的热电装置一般是由热沉板、吸热板和热电堆组成的“三明治”结构，受硬板所限，主要用于平面热源。为了能与任意结构热源均达到良好的热接触，开发可适应各种表面的热电模块成为必然趋势。柔性热电发生器因此应运而生。此外，通过薄膜沉积技术，人们还探索采用纳米材料以提高热电薄膜效率。目前形式各异且各具特色的薄膜制备方法，正为热电科学的发展创造条件。常用的热电薄膜沉积技术往往比较复杂、耗时长、成本高。

借助于液态金属的印刷特性，Li［4］提出并研究了直接利用液态金属制作柔性热电发生器的问题，证实了相应技术的潜在实用价值。图13.8a为无负载情形下镓镓铟合金热电偶开路电压随温差的变化关系［4］。已知Ga和GaIn24.5的热电势率很小，从此图中亦可看出类似的结果，三组实验中热电势率SGa-GaIn24.5最大值仅为0.076 μV/K。不过总体而言，镓-镓铟合金热电偶输出电压与温差呈现出较好的线性关系。只是在温差大于140℃之后，三组实验均表现出一定程度的输出电压衰减，推测这是由于高温时加热铝块上的黏结硅胶融化，导致基底材料部分脱离铝块造成输入温度骤降造成。与镓康铜热电偶相比，镓镓铟合金热电偶在整个测试过程中呈现出更大的不稳定性，推测这是由于其输出电压过小，与电压扰动的量级接近，从而使得任何轻微的扰动都能明显反映出来。

图13.8　镓-镓铟合金热电偶热电性能［4］

a.开路电压情况；b.有负载情形。

单个热电偶的温差电动势往往较低，实际使用中需要采用多个相同热电偶构成热电堆（亦称“温差电堆”），通常这些热电偶在电路上是串联的，而在传热方面则是并联的，即在结构布置中使其冷端在热电堆的一侧，而热端在另一侧，这两侧分别称为热电堆的“冷端”和“热端”。在相同温差下，热电堆温差电动势为所有串联热电偶温差电动势的叠加，由此可提供更高的输出电压和功率。为进一步揭示液态金属在热量捕获领域的应用价值，以下对以直写方式制作的液态金属热电发生器的热量捕获性能进行研究。

图13.9a为一个由20对镓康铜热电偶组成的热电发生器的原型［4］，镓热电极尺寸为100 mm×10 mm×10 μm，康铜热电极尺寸100 mm×Φ1.5 mm，热电极间距5 mm。

实验中，两相隔450 mm的铝块（300 mm×20 mm×10 mm）分别为热电发生器提供冷却和加热表面，并起支撑固定作用。热电发生器的硅胶基底通过硅橡胶黏接在两铝块上方，并保证热电偶热端和冷端分别位于两铝块的正上方。铝块下方由平板加热器提供热量，热界面材料用于铝块和平板加热器的接触表面以减少接触热阻。使用T型热电偶监测温度，安捷伦34970A采集温度和电压数据。

图13.9b所示为镓康铜热电发生器原型机的热电势温差关系曲线［4］。可以看到，当温差为140℃时，20个同样尺寸的热电偶串联可得到输出电压约为105 mV，近似等于同样温差下单个热电偶输出电压（约5.05 mV）之和，显示了热电偶形状尺寸的可控性。

图13.9　镓-康铜热电发生器及性能［4］(www.xing528.com)

a.原型机；b.热电势温差关系。

以下采用一个LED灯作为负载，以检验以上研制的热电发生器的实用价值。由于LED灯的工作电压是2V，约为现有输出电压的20倍，所以由该热电发生器直接驱动LED灯并不可行。为满足所需功率要求，可采用一个商用超低输入电压的升压型DC/DC转换器（LTC 3108，凌力尔特），来将mV级输入电压放大至几伏的量级，从而驱动LED灯。

图13.10所示为热电发生器的热电势温差关系曲线［4］。从中可以看到，当温差为140℃时，20对同样尺寸的热电偶串联可得到输出电压约为123 mV，可为驱动功能器件提供可靠的保障。

图13.10　热电发生器热电势-温差关系曲线［4］

采用LED灯作为负载，实验中使热电发生器冷端保持30℃，热端持续升温至190℃，逐渐达到稳态后，可输出110～120 mV的电量，将热电发生器输出端接到升压芯片输入端后，发现升压芯片输出电压可达到2.38V，可以驱动LED灯，如图13.11所示［4］。可见，热电发生器可稳定供给LED灯742.9 μW的电量。

图13.11　热电发生器工作情况［4］

a.给LED灯供电；b.热电发生器升压芯片输入及输出电压随时间变化情况。

与前述情况类似，当热电发生器的输出电压（即升压芯片输入电压）达到稳态一段时间后，又开始降低。但同时也可以看出，在26 min的较长时间内，虽然热电发生器的输出电压从111 mV逐渐降落到95 mV，但升压后的输出电压稳定在2.38 V，可以保证LED灯稳定正常工作，可见热电发生器是可靠的。实际应用过程中，此时间段后的热电发生器驱动电压可达到稳定工作状态。当然，若为确保自起始开始的任意时段该发生器均能输出同一大小的电压，还可通过在输出电路上引入稳压芯片来实现，具体细节此处不再赘述。

另外，通过观察液态镓康铜热电偶以及镓-镓铟合金热电偶的功率输入曲线，可发现输出功率与温差的关系呈指数变化趋势。温差小时发电功率很小，而随着温差的增大，发电功率急速增加，所以镓基热电偶构成的热电发生器更适合于100℃以上场合的应用。但由于受聚合物降解温度限制，聚合物基底印刷热电偶只限于200℃以下低品位热量的回收。更高的温度可考虑采用其他耐热柔性基底，如玻璃丝布等。但对于类似玻璃丝布的多孔基底，为防止基底正反面发生电连接，在印刷液态金属前，还可预先在基底两面各涂覆一层耐高温涂料。热电极材料亦可印刷在基底同一面或两面，以适应不同场合的需要。