以CNT的熱電轉換效果開發出衣物用溫度調節材料

 

刊登日期:2020/9/18
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美國北卡羅萊納州立大學開發出新的奈米碳管(Carbon Nanotube;CNT)薄膜,是一項適用於柔軟衣物的可調節溫度熱電材料。

目前可調節溫度衣物材料的研究大多是將硬的材料結合在布料當中,市售可穿戴式熱電元件也大多是缺乏柔軟性的材料。只要適當使用的話,CNT是安全且便宜的材料。此外,CNT的熱電轉換效果也廣為人知,做為可穿戴式元件時可奪走穿戴面的熱能使其冷卻,是一項輕易可得的熱電材料。

這次研發團隊開發出的是結合熱、電、物理特性的CNT薄膜,具柔軟性,在空氣中狀態穩定,且製造時不需要高溫,相較之下較為單純,只需2階段製程即可產出,價格也較便宜。另外,為了量測柔軟薄膜的熱傳導率,研究人員採用時域熱反射(Time-domain thermoreflectance;TDTR),開發出高速且非接觸的熱傳導率量測手法,不需複雜的細微加工及材料處理。

這款新CNT薄膜材料的另一個特徵是熱傳導率較低,也就是想讓穿戴者降溫的話,從體內散發出來的熱能不會回到人身上;想讓穿戴者升溫的話,熱能會伴隨著電流向體內移動,不會回到大氣中,就衣物布料來說擁有優異的特性。

此外,新材料還能利用2種環境之間的溫度差(溫度梯度)產生電氣。研究人員量測了新材料的電氣生成能力(賽貝克係數),由電氣傳導率、熱傳導率、賽貝克係數等3種特性計算熱電優值(ZT),得到300K條件下最大ZT為0.019的數值,因此新材料可望應用於以溫度差供電的小型電子機器用途。

今後,研發團隊希望加上環境發電(Energy Harvesting)功能,將新CNT薄膜材料與布料整合在一起,設計出能讓穿戴者保暖及降溫的智慧型布料。只需要加溫或降溫人體周圍的個人空間而非空間整體,讓自動調溫器(Thermostat)降低1〜2℃,整體而言便可節省莫大的能源使用。


資料來源: https://engineer.fabcross.jp/archeive/200807_flexible-material.html
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