3D打印颠覆制冷工艺，50℃温差背后的界面键合黑科技！

来源：EngineeringForLife

热电冷却器（TECs）凭借其固态、无噪音、精准温控等优势，在微电子、可穿戴设备等领域具有重要应用前景，但传统制造方法依赖高能耗工艺（如单晶生长、高压烧结），且材料效率（zT值）受限，导致设备冷却性能不足、成本高昂。尽管3D打印技术为定制化、可持续生产提供了新途径，但现有打印材料因颗粒界面连接性差、电导率低等问题，其zT值远低于传统块体材料，且多孔结构难以兼顾热导率与导电性，阻碍了高性能器件的实际集成。

因此，如何在3D打印中通过界面键合优化实现高zT材料，并突破制造工艺与设备工程的双重瓶颈，成为推动热电技术规模化应用的核心挑战。

鉴于此，来自奥地利科技学院（ISTA）的Shengduo Xu和Maria Ibáñez团队主要开发一种基于挤出式3D打印技术的高性能热电材料制备方法，实现了p型(Bi,Sb)₂Te₃和n型Ag₂Se材料的高优值（zT）和高效制冷性能，为热电制冷器的低成本、可扩展生产提供了一种新的解决方案。   

本文要点：

（1）3D打印技术与高性能热电材料的结合：研究团队首次通过挤出式3D打印技术成功制备了高性能热电材料，实现了p型(Bi,Sb)₂Te₃和n型Ag₂Se材料的高优值（zT值分别达到1.42和1.3），并组装出制冷温差达50°C的热电制冷器。这一成果不仅突破了传统制造方法的限制，还显著降低了生产成本和能耗。

（2）界面键合策略的开发：研究人员设计了特殊的墨水配方，确保在烧结过程中颗粒之间形成有效的界面键合，从而在多孔结构中构建高效的电荷传输通道。这种创新的界面键合策略使得3D打印的热电材料在保持高孔隙率的同时，仍能实现优异的电输运性能。

（3）可持续制造与广泛应用潜力：该研究提出了一种可扩展且具有成本效益的热电材料生产方法，避免了传统制造中的高能耗和浪费问题。此外，这种3D打印技术不仅适用于热电制冷器，还为其他半导体材料的增材制造提供了理论框架，有望在电子设备、可穿戴设备、医疗应用以及能源回收等领域实现广泛应用。

本论文通过开发一种基于挤出式3D打印技术的创新方法，成功制备了高性能的热电材料，实现了p型(Bi,Sb)₂Te₃和n型Ag₂Se材料的高优值（zT值分别为1.42和1.3），并组装出制冷温差达50°C的热电制冷器。研究团队通过特殊的墨水配方和界面键合策略，解决了传统3D打印材料中因孔隙率高而导致的电输运性能不足的问题，同时避免了传统制造工艺中的高能耗和复杂步骤。   

这一成果不仅为热电制冷器的高效、低成本生产提供了新的解决方案，还为其他半导体材料的增材制造提供了理论基础，展现出在电子设备、可穿戴技术和能源回收等领域的广泛应用潜力。

参考资料：https://doi.org/10.1126/science.ads0426