[发明专利]一种制冷性能增强的柔性热电磁能量转换薄膜及其制备方法

说明书

本发明涉及一种制冷性能增强的柔性热电磁能量转换薄膜及其制备方法。首先在保护气氛下将热电材料粉体、磁性纳米粒子球磨混合均匀，得到热电磁复合粉体；然后将热电磁复合粉体加入到黏结剂溶液中混合均匀，得到热电磁墨水；最后利用热电磁墨水在基板上印制出热电磁湿膜，干燥、热压烧结后得到柔性热电磁能量转换薄膜。本发明通过在热电薄膜中引入磁性纳米粒子，诱发热电磁耦合新效应，不仅赋予了薄膜一定磁性能，还显著提高了其热电性能和室温附近制冷能力。本发明提供的技术有望推动基于热电磁能量转换全固态制冷面内主动散热技术的发展和应用。

技术领域

本发明涉及功能材料技术领域，尤其涉及一种制冷性能增强的柔性热电磁能量转换薄膜及其制备方法。

背景技术

热电材料是一种可以实现热能和电能直接转换的新能源材料。利用热电材料制成的热电转换器件，根据热流方向的不同可分为两种类型：面外型热电器件和面内型热电器件。面外型热电器件的热流方向与基板面垂直，具有吸热面积大、热量利用率高等优点，已经应用于汽车尾气余热发电、太阳能全光谱高效发电、深空电源、热电冰箱等领域。然而面外型热电器件也存在一些缺点，例如柔性差、体积大、功率密度低以及难以应用在异形、狭小和热流密度高的空间。面内型热电器件的热流方向与基板面平行，具有柔性好、体积小等优点，有望应用于手机芯片面内高效散热、自供能双向温控传感器、低功耗自供能物联网节点、自供能柔性穿戴设备等领域。目前面内型热电器件尚无商用产品，其中一个主要原因就是没有制备出完全满足应用需求的高性能热电薄膜。

目前通过蒸发镀膜、磁控溅射、脉冲激光沉积和化学气相沉积等技术都能够制备得到热电薄膜，并且其热电性能通常很高，有的甚至接近同组份的块体热电材料，但不可否认的是上述沉积类制备技术的成本偏高、薄膜的一致性较差。除此之外，浆料或墨水通过涂刷、旋涂、喷墨打印和丝网印刷等湿法成膜方式也能低成本、可控制备出较高柔性的热电薄膜，但是其热电转换性能尤其是电输运性能严重劣化。针对这一问题尽管科研工作者们已经探索出了多种解决方法，但是仍然无法完全满足实际应用需求。

近期本申请发明人所在课题组在块体热电材料研究中发现的热电磁耦合效应增强热电转换性能新机制，有望为热电薄膜研究提供一种新思路。前期我们发现利用BaFe₁₂O₁₉磁性纳米粒子铁磁-顺磁转变产生的热电磁耦合新效应，能够有效抑制中温热电材料填充CoSb₃因本征激发引起的性能劣化，利用超顺磁Co纳米粒子产生的电子多重散射效应实现了填充CoSb₃中声子和电子输运的协同调控，利用超顺磁态的Fe₃O₄磁性纳米粒子在室温热电材料p型Bi₂Te₃中产生的超顺磁增强热电势效应显著提高了复合材料的电热输运性能。

综合上述研究成果可知，引入磁性纳米粒子是提高块体热电材料热电性能的一种有效途径，但是块体热电材料与柔性热电薄膜在组成、结构、制备方法等方面均存在较大差异，该方法能否用于柔性热电薄膜并提高其热电性能有待进一步探索验证，目前尚未发现相关报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种制冷性能增强的柔性热电磁能量转换薄膜的制备方法，该制备方法包括以下步骤：(a)将热电材料粉体、磁性纳米粒子混合，得到热电磁复合粉体；(b)将热电磁复合粉体与黏结剂溶液混合，得到热电磁墨水；(c)利用热电磁墨水在基板上制备热电磁湿膜，接着干燥、热压烧结即可。

进一步的，步骤(a)中所述热电材料粉体为p型或n型，具体选自Bi₂Te₃基热电材料、Sb₂Te₃基热电材料中的一种。热电材料粉体的粒径不超过120μm。

进一步的，步骤(a)中所述磁性纳米粒子具体为铁磁金属Fe、Co或Ni的磁性纳米材料。