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Advanced Materials：可用于可穿戴制冷裝備的高柔性電熱納米線

2016-05-10 11:10:50 作者：本網整理來源：材料牛分享至：

賓州州立大學材料工作者成功研制了具有制冷效果的納米線陣列，它使得進入燃燒建筑物的消防員、烈日下競賽的運動員和工廠里的工人都能夠穿戴屬于他們自己的輕質降溫裝備。

“大部分電熱陶瓷材料都包含鉛，”材料科學與工程系的教授Qing Wang說道。“傳統的冷卻系統在使用冷卻液降溫時會產生環境問題，我們嘗試不再使用鉛，該納米線陣列就不存在環境問題。”

電熱材料是一種在外界電場作用下可以表現出可逆溫度變化的材料。之前研發的電熱材料是單晶體塊狀陶瓷或帶制冷薄膜的陶瓷。但由于陶瓷剛度高、脆性大、可加工性能差，所以其使用非常受限。鐵電高分子材料雖然同樣也可以制冷，但它制冷時所需的電場強度卻超出人體可接受的安全范圍。

Wang和他的團隊致力于研發一種柔性納米線電熱材料，它制作簡單，有較好的環境友好性，同時可在人體安全要求的電場范圍內使用。它將來可用于火場救災裝備、運動員制服及其它可穿戴領域。

這種直立的鐵電鈦酸鍶鋇納米線陣列（BaxSr1–xTiO3—BST， nanowire—NW）可在36 V（人體安全電壓范圍內）下使溫度下降約5.5 ℉。一個重約500 g像IPad大的電池組就可為該材料持續供電約2 h。

研究人員通過兩步制備了該納米線材料：首先在氟摻雜氧化錫薄膜玻璃表面制備了氧化鈦納米線，并利用模板使所有納米線均直立生長在玻璃表面，且高度相同；然后再將鋇原子和鍶原子注入到氧化鈦納米線之中；成功后再在650℃退火處理2h。最后研究人員還在該材料表面涂覆了一層納米銀以充當電極。

他們還可以利用膠帶將納米線陣列從玻璃基體移動到任何他們想要基體上，即使是衣服纖維表面也可以，為未來人體可穿戴制冷裝備開拓了道路。

圖文導讀：

圖一：

圖1a）-c）所示為BST NW陣列的俯視SEM形貌、橫截面SEM形貌及HRTEM圖像。 BST直徑約250 nm，平均高度為3 μm。圖1 d）-f）為BST NW陣列的XRD圖譜與能譜分析及各種元素在納米線中的分布情況。

圖二：

圖2所示為NW陣列的熱流量Q、溫變△T及熵變△S隨著外加電場的變化情況。其中熱流量可通過熱流傳感器直接測得，△T及△S由公式計算得到，其中，T為環境溫度，C為比容。當外加電場為60 MVm-1時，BST NW陣列室溫下的電熱效應（ECE）最顯著，此時Q=5.0 kJ kg-1，△T=10.1℃，△S=16.3J kg-1 K-1。

圖三：

圖3-4295

BST薄膜、BST塊體材料及BST NW陣列的極化強度及熵變△S隨溫度的變化曲線如圖3 a）、b）所示。圖3 c）所示為不同直徑的NW陣列中納米線的結構示意圖，圖3 d）所示為當外加電場為5 MV m-1時，不同直經NW陣列沿Z軸方向極化率。

圖四

由圖4 a）-d）可見，該BST NW陣列具有良好的柔性。它可從FTO玻璃板上轉移至其它各種柔性基體上，包括聚酰亞胺薄膜、透明膠帶、PDMS等。圖4 e）、f）所示為BST NW陣列處于不同彎曲半徑及拉伸應變下測得的熱流量Q，可見當它將來用于人體手腕（r≈10mm）及手指（r≈5mm）等的可穿戴裝備時，BST NW陣列的制冷效果并不會表現出嚴重的衰減。圖4e）、f）中插入的圖片顯示BST NW陣列在彎曲半徑5mm及拉伸應變25%條件下具有良好的制冷穩定性。