2025第3篇增材Science：3D打印材料与应用突破，中国学者一作！

2025年2月26日

616

最新一期的Science包含两篇关于3D打印技术的研究。。因此，我们将另一篇，列为本年度第三篇增材Science文章。来自奥地利科学技术研究所的中国学者Shengduo Xu博士（ 2015年9月 - 2017年7月于哈工大就读硕士），以第一作者发表了题为“Interfacial bonding enhances thermoelectric cooling in 3D-printed materials”的文章。研究人员通过挤出式3D打印技术，结合界面键合优化策略，成功制备出一种高性能热电材料，并组装出制冷温差达50°C的制冷器件。

https://www.science.org/doi/10.1126/science.ads0426

新闻评论指出，此突破不仅显著降低了热电材料的生产成本，使之达到了商业级性能水准，而且极大程度地削减了材料与能源的损耗，并有效缩短了生产周期。这项研究为电子产品及可穿戴设备中的多样化冷却需求提供了极具扩展性的解决方案，同时，也为烧伤护理及废弃能量回收策略等前沿医疗领域开辟了新的道路。凭借所展现出的商业级卓越性能，这项研究成果有望超越学术范畴，展现出深远的实际应用价值，进而吸引那些致力于技术创新与应用的行业伙伴的广泛关注与兴趣。

热电材料制造面临的困境

热电制冷器（TECs）是一种基于热电效应的固态制冷设备，能够在电流通过时将热量从一侧转移到另一侧，不依赖传统制冷系统中使用的有害液体或气体，在现代热管理领域具有重要应用前景。然而，TECs的广泛应用受到效率低下、制冷能力有限、制造工艺复杂且成本高昂等因素的限制。其性能系数和最大温度降低能力与其所使用的热电材料的效率密切相关，然而这些材料的制造方法耗时且能耗高，难以大规模生产。

近年来，3D打印技术已经实现了具有不同3D结构刚性热电材料的打印，在制备热电材料方面展现了潜力。但当前制备的3D打印热电材料的性能仍低于传统方法制备的锭材，且尚未实现其在冷却装置中的实际应用。这主要受到材料内部晶粒连接不良导致的性能下降以及高性能材料优化与高效器件工程结合的复杂性等因素的限制。

3D打印制备出高性能热电材料

本研究旨在通过制备高性能热电材料，构建基于此材料的热电制冷器件，实现高效、稳定的制冷效果。研究人员选择了（Bi,Sb）2Te3基热电材料和Ag2Se热电材料作为研究对象。这两种材料均具有较高的热电优值（ZT值），是热电制冷器件的理想选择。

研究团队采用挤出3D打印技术，设计了特殊的墨水配方，实现了高性能热电材料的直接打印。具体来说，研究中使用了两种主要材料：p型的Bi0.5Sb1.5Te3（简称BST）和n型的Ag2Se。通过优化墨水成分和浓度，研究团队实现了材料在打印过程中的结构完整性和烧结过程中的颗粒间良好连接。

打印完成后，材料经过烧结处理去除液态介质并形成连续的材料网络，从而实现有效的电荷载流子传输。对于Ag2Se，研究团队利用其在133°C附近的相变特性，在烧结过程中形成液态相，促进颗粒间的质量传输和结合。对于BST，研究团队通过添加Bi纳米颗粒和Sb2Te4金属间化合物（ChaM），在烧结过程中形成与原始BST颗粒化学键合的新BST相，从而实现颗粒间的连接。

研究突破

1.实现高性能热电材料制造

研究结果表明，（Bi,Sb）2Te3基热电材料和Ag2Se热电材料均表现出优异的热电性能。其中，（Bi,Sb）2Te3基热电材料在特定温度范围内具有较高的热电优值，而Ag2Se热电材料则展现出良好的稳定性和可重复性。这些优异的热电性能为后续热电制冷器件的构建奠定了坚实的基础。

3D打印Ag₂Se的多孔微结构与热电性能

2. 热电制冷器件制冷效果显著

通过性能测试，本研究制备的热电制冷器件在施加一定电流后，冷热两端的温度差可达50°C以上。随着加热负荷的增加，制冷温度逐渐升高，但制冷效率仍保持在较高水平。此外，器件在连续制冷测试中表现出良好的稳定性和可靠性，证明了其在实际应用中的潜力。

通过形成晶粒间的界面结合来提高BST-B-ST的热电性能

3. 器件结构的优化与影响

研究还发现，器件结构的优化对热电制冷效果具有显著影响。通过调整热电偶对的数量、排列方式及散热结构等参数，可以进一步提高器件的制冷效率和稳定性。例如，增加热电偶对的数量可以提高制冷功率，但也会增加器件的复杂性和成本；而优化散热结构则可以有效降低器件的工作温度，提高制冷效率。

未来应用潜力

本研究通过3D打印技术成功制备了高性能热电材料，并构建了基于此材料的热电制冷器件。通过性能测试和稳定性评估，证明了器件在实际应用中的潜力和价值。除了在电子设备、可穿戴设备中快速进行热量管理外，热电冷却器还可以用于医疗领域，包括烧伤治疗和肌肉拉伤缓解。此外，ISTA的科学家团队开发的油墨配方方法可以适用于高温热电发电机（一种可以利用温差产生电压的设备）中使用的其他材料。