Advanced Materials：可用于可穿戴制冷装备的高柔性电热纳米线

2016-05-10 11:10:50 作者：本网整理来源：材料牛分享至：

宾州州立大学材料工作者成功研制了具有制冷效果的纳米线阵列，它使得进入燃烧建筑物的消防员、烈日下竞赛的运动员和工厂里的工人都能够穿戴属于他们自己的轻质降温装备。

“大部分电热陶瓷材料都包含铅，”材料科学与工程系的教授Qing Wang说道。“传统的冷却系统在使用冷却液降温时会产生环境问题，我们尝试不再使用铅，该纳米线阵列就不存在环境问题。”

电热材料是一种在外界电场作用下可以表现出可逆温度变化的材料。之前研发的电热材料是单晶体块状陶瓷或带制冷薄膜的陶瓷。但由于陶瓷刚度高、脆性大、可加工性能差，所以其使用非常受限。铁电高分子材料虽然同样也可以制冷，但它制冷时所需的电场强度却超出人体可接受的安全范围。

Wang和他的团队致力于研发一种柔性纳米线电热材料，它制作简单，有较好的环境友好性，同时可在人体安全要求的电场范围内使用。它将来可用于火场救灾装备、运动员制服及其它可穿戴领域。

这种直立的铁电钛酸锶钡纳米线阵列（BaxSr1–xTiO3—BST， nanowire—NW）可在36 V（人体安全电压范围内）下使温度下降约5.5 ℉。一个重约500 g像IPad大的电池组就可为该材料持续供电约2 h。

研究人员通过两步制备了该纳米线材料：首先在氟掺杂氧化锡薄膜玻璃表面制备了氧化钛纳米线，并利用模板使所有纳米线均直立生长在玻璃表面，且高度相同；然后再将钡原子和锶原子注入到氧化钛纳米线之中；成功后再在650℃退火处理2h。最后研究人员还在该材料表面涂覆了一层纳米银以充当电极。

他们还可以利用胶带将纳米线阵列从玻璃基体移动到任何他们想要基体上，即使是衣服纤维表面也可以，为未来人体可穿戴制冷装备开拓了道路。

图文导读：

图一：

图1a）-c）所示为BST NW阵列的俯视SEM形貌、横截面SEM形貌及HRTEM图像。 BST直径约250 nm，平均高度为3 μm。图1 d）-f）为BST NW阵列的XRD图谱与能谱分析及各种元素在纳米线中的分布情况。

图二：

图2所示为NW阵列的热流量Q、温变△T及熵变△S随着外加电场的变化情况。其中热流量可通过热流传感器直接测得，△T及△S由公式计算得到，其中，T为环境温度，C为比容。当外加电场为60 MVm-1时，BST NW阵列室温下的电热效应（ECE）最显著，此时Q=5.0 kJ kg-1，△T=10.1℃，△S=16.3J kg-1 K-1。

图三：

图3-4295

BST薄膜、BST块体材料及BST NW阵列的极化强度及熵变△S随温度的变化曲线如图3 a）、b）所示。图3 c）所示为不同直径的NW阵列中纳米线的结构示意图，图3 d）所示为当外加电场为5 MV m-1时，不同直经NW阵列沿Z轴方向极化率。

图四

由图4 a）-d）可见，该BST NW阵列具有良好的柔性。它可从FTO玻璃板上转移至其它各种柔性基体上，包括聚酰亚胺薄膜、透明胶带、PDMS等。图4 e）、f）所示为BST NW阵列处于不同弯曲半径及拉伸应变下测得的热流量Q，可见当它将来用于人体手腕（r≈10mm）及手指（r≈5mm）等的可穿戴装备时，BST NW阵列的制冷效果并不会表现出严重的衰减。图4e）、f）中插入的图片显示BST NW阵列在弯曲半径5mm及拉伸应变25%条件下具有良好的制冷稳定性。