Việc sử dụng các quy trình sản xuất phụ gia để in các thiết bị nhiệt điện tích hợp chức năng có tiềm năng rất lớn đối với lĩnh vực khoa học vật liệu. Nghiên cứu được công bố trên ACS Energy Letters đã khám phá chủ đề này, trình bày một bản tóm tắt và triển vọng hiện đại về sự phát triển của các vật liệu và thiết bị nhiệt điện được sản xuất bằng phụ gia.

Nhiệt điện tử

Lĩnh vực nhiệt điện là một lĩnh vực đã trưởng thành. Kể từ khi phát hiện ra vật liệu nhiệt điện cách đây hai trăm năm, việc nghiên cứu đã tiến triển đáng kể. Các nghiên cứu gần đây đã báo cáo hiệu suất nhiệt điện vượt trội và các kỹ thuật chế tạo cả vật liệu truyền thống và vật liệu mới đã trở nên phổ biến.

Những tiến bộ gần đây trong lĩnh vực này hiện có sự liên quan đặc biệt do sự phát triển của các công nghệ tiêu thụ điện năng thấp như Internet of Things (IoT) và các thiết bị đeo được. Hơn nữa, nhu cầu cấp bách về việc nhanh chóng khử cacbon trong ngành công nghiệp và đạt mức phát thải ròng bằng không đã tạo điều kiện cho sự quan tâm đến các nguồn năng lượng thay thế cho các thế hệ thiết bị mới.

Ngày càng có nhiều sự quan tâm đến việc sử dụng vật liệu nhiệt điện cho các cảm biến không tốn pin, công nghệ tự cung cấp năng lượng và làm mát trên chip. Nhiệt điện có thể đóng một vai trò kép như máy phát nhiệt điện và máy làm mát nhiệt điện. Hiệu suất của các vật liệu này ở cấp độ hệ thống phụ thuộc vào các yếu tố như chất lượng thiết bị và hiệu suất của vật liệu. Ở cấp độ vật liệu, hiệu suất bị chi phối bởi các đặc tính như nhiệt độ làm việc, độ dẫn điện và nhiệt và hệ số Seebeck.

Do những thách thức trong việc xây dựng các thiết bị nhiệt điện, các phương pháp thiết kế và chế tạo thiết bị đã không được nghiên cứu nhiều như các đặc tính của vật liệu trong những năm gần đây. Các phương pháp chế tạo như nung chảy vùng và ép nóng được sử dụng cho các vật liệu nhiệt điện, phức tạp và tiêu tốn nhiều năng lượng. Vật liệu có xu hướng cồng kềnh và cứng nhắc. Các thiết bị bị hạn chế về độ phức tạp hình học và ứng dụng thực tế. Hơn nữa, trái ngược với các công nghệ bán dẫn khác, nghiên cứu về quy mô các thiết bị nhiệt điện còn ít thành thục hơn.

Triển khai các thành phần nhiệt điện vào thiết bị đeo để tận dụng nhiệt tiềm ẩn của cơ thể đang là hướng nghiên cứu phổ biến hiện nay. Công việc đã được thực hiện để đưa tính linh hoạt vào các thiết bị nhiệt điện, với một số nghiên cứu sử dụng các vật liệu như chất đàn hồi nhúng kim loại lỏng. Các nghiên cứu khác đã khám phá sự lắng đọng vật liệu nhiệt điện trên các chất nền dẻo.

Thiết bị nhiệt điện in 3D

Sản xuất phụ gia, hay còn được gọi là in 3D, là một trong những trụ cột của Industry 5.0. Lĩnh vực công nghệ này có lợi thế trong việc vượt qua các thách thức về thiết kế thiết bị nhiệt điện và khả năng mở rộng. Ví dụ, những tiến bộ đầy hứa hẹn trong việc sử dụng in 3D để chế tạo máy phát nhiệt điện với các hình dạng đa năng đã được thực hiện trong những năm gần đây.

Có nhiều phương pháp sản xuất phụ gia khác nhau được bán trên thị trường. Chúng bao gồm quá trình quang tạo thùng, phương pháp nung chảy bột, kỹ thuật phun vật liệu và các phương pháp dựa trên đùn như viết mực trực tiếp. Mỗi phương pháp đều có ưu và nhược điểm riêng và một số phương pháp không phù hợp để in 3D vật liệu nhiệt điện.

Trong số các công nghệ in 3D khác nhau được phát triển hiện nay, viết mực trực tiếp (DIW) đã cho thấy một triển vọng đặc biệt để chế tạo các thiết bị nhiệt điện chức năng với kiến ​​trúc phức tạp và tính linh hoạt được nâng cao. Phương pháp này lắng đọng mực (còn được gọi là "bùn") từng lớp qua một vòi phun đùn.

Các phương pháp in đùn như DIW có một số ưu điểm. Nhiều loại mực và vật liệu có thể được sử dụng để in đùn tạo điều kiện thuận lợi cho khả năng chế tạo các thiết bị nhiệt điện đa vật liệu được in đầy đủ. Viết mực trực tiếp cũng có lợi ích về hiệu quả chi phí, ít lãng phí vật liệu hơn và tiêu thụ năng lượng thấp hơn.

Với sự xuất hiện gần đây của vật liệu nhiệt điện in 3D (trong thập kỷ qua), giá trị zT của những vật liệu này không cạnh tranh bằng các vật liệu chế tạo thông thường của chúng. Giá trị zT định lượng hiệu suất nhiệt điện của vật liệu. Tuy nhiên, do những ưu điểm của sản xuất phụ gia so với các phương pháp chế tạo thông thường và tiềm năng tối ưu hóa hơn nữa, việc viết mực trực tiếp là một quy trình đầy hứa hẹn để sản xuất các thiết bị nhiệt điện hiệu suất cao.

Nghiên cứu

Bài đánh giá tập trung được xuất bản trên ACS Energy Letters cung cấp một cái nhìn sâu sắc về lĩnh vực này. Các chiến lược xây dựng và thiết bị để chế tạo các vật liệu và thiết bị nhiệt điện hiệu suất cao đã được khám phá. Các tác giả đã lưu ý rằng còn thiếu tài liệu từ quan điểm cải thiện chức năng của thiết bị và vật liệu bằng cách tận dụng các công thức in và khả năng của sản xuất phụ gia 3D.

Nghiên cứu bắt đầu với bản tóm tắt các công nghệ in 3D khác nhau và đánh giá chúng là các kỹ thuật phù hợp để chế tạo vật liệu và thiết bị nhiệt điện. Nghiên cứu chi tiết về cách viết mực trực tiếp và việc sử dụng nó cho mục đích này được khám phá, tập trung cụ thể vào phương pháp DIW để chế tạo mực nhiệt điện vô cơ do giá trị zT của chúng cao hơn mực hữu cơ.

Cuối cùng, đánh giá tập trung điều tra khoảng cách hiệu suất giữa vật liệu nhiệt điện in 3D và các vật liệu chế tạo thông thường của chúng để giải quyết các vấn đề và cung cấp quan điểm về các hướng nghiên cứu trong tương lai cho lĩnh vực sẽ khắc phục những khoảng cách hiệu suất này.

(Nguồn: Azom.com)

 

Cảm ơn đã theo dõi hết bài viết!!!