奥地利ISTA研究人员开发3D打印热电材料，提升电子设备冷却效率

2025年2月23日，南极熊获悉，奥地利科学技术研究所（ISTA）研究人员开发出了一种用于3D打印的高性能热电材料，并构建了热电冷却器。这项研究已发表在《Science》杂志上，揭示了一种提高电子设备热量管理效率的新途径，它的应用范围非常广泛，包括可穿戴设备和医疗治疗领域。

△相关研究题目为“界面键合增强了3D打印材料中的热电冷却”（传送门）

热电材料具备将温差转换成电压，或者将电压转换成温差的独特能力，但传统的热电材料效率较低，生产成本高，且伴随着材料浪费问题。热电冷却器，作为固态制冷器的一种，利用电流实现热量在设备内部的传递，从而达到局部冷却的效果。它们具有使用寿命长、不泄漏、可定制尺寸和形状、无运动部件等优点，非常适合用于电子产品等冷却应用。然而，传统的热电冷却器制造成本高昂，材料浪费严重，性能也有所限制。

通过将3D打印技术整合到热电冷却器的生产过程中，显著提升了制造效率并降低了成本。这个项目由能源科学联合体教授兼沃纳西门子热电实验室负责人Maria Ibáñez领导，第一作者兼ISTA博士后Shengduo Xu强调：“3D打印技术的融入不仅提高了热电冷却器的制造效率，而且减少了材料浪费，为热电冷却器的广泛应用铺平了道路。”

Ibáñez：“表示，与之前3D打印热电材料的尝试相比，目前的方法可以生产出性能更高的材料。凭借商业级性能，我们的工作有可能超越学术界，具有实际意义，能够吸引那些寻求创新解决方案人群的关注和兴趣。”

△使用基于挤压的3D打印技术来制造高性能热电材料

热电技术

目前，最先进的热电冷却器依赖于基于锭的制造技术，该技术不仅成本高昂，而且耗能严重。生产过程需要大量机械加工，导致大量材料浪费。

Shengduo Xu指出：“我们的研究实现了使用3D打印技术直接打印出所需形状的热电材料。此外，由此产生的设备在空气中表现出50度的净冷却效果。这意味着，我们3D打印出的材料性能可与成本更高的传统材料相媲美。”因此，ISTA的材料科学家团队提出了一种创新的、可扩展且经济高效的热电材料生产方法，有效避免了传统制造过程中的高能耗和耗时步骤。

优化颗粒结合

研究团队不仅将3D打印技术应用于热电材料的生产，还开发了一种特殊油墨，使得在载体溶剂蒸发后，晶粒之间形成有效的原子键，从而构建出坚固的材料网络。这种界面化学键的优化显著改善了晶粒间的电荷转移，从而提升了3D打印材料的热电性能，并为多孔材料的传输特性提供了新的研究视角。

Ibáñez教授进一步解释说：“我们利用基于挤压的3D打印技术，并设计了专用的墨水配方，以确保打印结构的完整性和促进颗粒间的结合。这使得我们能够制造出性能与传统基于锭设备相当的热电冷却器，同时实现了材料和能源的节约。”

潜在应用前景

热电冷却器除了在电子设备和可穿戴设备中实现快速热量管理外，还可应用于医疗领域，如烧伤治疗和肌肉拉伤缓解。ISTA研究团队开发的油墨配方方法，同样适用于高温热电发电机（一种利用温差产生电压的设备）。这种方法有望将热电发电机的应用扩展到各种废物能量收集系统中。

Ibáñez教授表示：“我们采用了全周期方法，从优化原材料的热电性能到制造出稳定、高性能的最终产品。”

Shengduo Xu教授补充道：“我们的研究为热电装置的生产提供了革命性的解决方案，预示着高效、可持续热电技术新时代的到来。”