[发明专利]一种柔性自愈合热电发电器件及其制备方法

说明书

本发明属于热电转换技术领域，具体公开了一种柔性自愈合热电发电器件及其制备方法。该方法是将自愈合材料倒入模具中，形成孔洞阵列分布的绝缘自愈合聚氨酯热电单元支撑层；随后，将N型和P型半导体热电单元间隔排列，嵌入到聚氨酯支撑层中。该方法中采用液态金属作为热电单元的连接导线，实现柔性连接，使各N型和P型半导体热电单元构成电串联、热并联结构。最后，将掺杂碳纳米管的聚氨酯材料涂敷在热电器件的上下两层，以形成导热、绝缘的保护层，防止液态金属流动而形成电的并联。本发明采用柔性自愈合聚氨酯材料、液态金属和热电单元的有效结合，实现柔性、可弯曲及具有自愈合性能的热电器件，可作为可穿戴柔性电子设备的电源。

技术领域

本发明属于热电转换技术领域，尤其涉及一种柔性自愈合热电发电器件及其制备方法。

背景技术

近年来，随着可穿戴式传感器和电路的快速发展，为其供电的电源的研究在国内外受到了广泛的关注。热电发电利用半导体的塞贝克效应将热能转换为电能，具有无运动部件，无噪音，结构简单等优点。同时，由于人体与外界环境之间存在一定的温差，因此，可以利用这个温差给热电发电机提供能量，实现热电器件的持续发电，为可穿戴传感器和电路、物联网技术等设备供电。

传统的热电器件尽管在热电和制冷领域有很好的应用潜能，但由于其主要由刚性或不可扩展的材料制成，这导致了传统的热电器件不能很好的与皮肤贴合，且不支持重复的机械变形。这增加了热电器件与皮肤之间的热阻，降低了温差发电的输出性能，降低了穿戴的舒适性。而柔性热电器件可以很好的与皮肤贴合，降低两者之间的热阻，可以更好的为可穿戴传感器供能。

现有的柔性热电器件可分为有机热电器件和无机热电器件。有机热电器件由于热电优值较低，其热电的转换效率和输出功率低，因此不能为可穿戴传感器供能。而现有的柔性无机热电器件虽提高了热电器件的输出功率，但其热电单元之间的连接通常采用金属丝电焊来完成，这造成了热电器件的整体电阻偏高，电极的结合强度较低，器件的稳定性较差。且现有的柔性基底材料通常为聚酰亚胺(CN104701449A)、聚二甲基硅氧烷(CN105406769A)等，此类材料均无自愈合特性，因此，当热电器件受到机械损坏后，该器件将不能继续使用，这极大减小了热电器件的使用寿命。例如：CN112531099A“高性能无机块材柔性热电器件及其制备方法”公开了一种柔性热电器件的制备方法，在该方法中，通过将热电腿与冷端和热端电极焊接在一起，再用柔性材料(聚酰亚胺或聚二甲基硅氧烷)封装。该方法制备的热电器件虽然具有柔性，但在受到机械损坏或电极松动后，将影响它的使用寿命。

因此，该领域急需开发一种柔性自愈合的高输出功率的热电器件，为可穿戴传感器和电路供电。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种无机热电材料基柔性自愈合热电发电器件，该柔性自愈合热电发电器件可与热源较好的结合，具有自愈合性能，且结构简单，成本低，在可穿戴传感器和电路、物联网技术等领域具有广阔的应用前景。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种柔性自愈合热电发电器件，所述柔性自愈合热电发电器件：

以无机热电材料作为热电单元，液态金属作为热电单元之间的连接导线，形成上下电极，使N型半导体热电单元和P型半导体热电单元构成热并联和电串联结构，自愈合高分子材料作为热电单元和液态金属导线的支撑层，碳纳米管或金属纳米颗粒掺杂的自愈合高分子材料作为上下电极的保护层。

所述柔性自愈合热电发电器件如图3所示，包括：支撑层4、热电单元、导线3和保护层5，所述热电单元包括N型半导体热电单元2和P型半导体热电单元1，所述支撑层4呈孔洞阵列分布，所述N型半导体热电单元2和P型半导体热电单元1间隔排列，嵌入支撑层4中，所述N型半导体热电单元2和所述P型半导体热电单元1用所述导线3连接，使N型半导体热电单元2和P型半导体热电单元1构成热并联和电串联结构，形成上下电极，所述保护层5为最外层，包覆上下电极。