美國(guó)維克森林大學(xué)和其他研究機(jī)構(gòu)最近共同研究出一種新型有機(jī)熱電纖維，可大大提升材料的輸出功率并降低成本。幾十年前人們就已開始研究熱電材料并已實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化應(yīng)用，生產(chǎn)熱點(diǎn)材料的傳統(tǒng)方法是用碲化鉍等無機(jī)材料進(jìn)行制造。一些新研究顯示，有機(jī)材料或具備成本更低、制造容易、靈活柔韌等更多優(yōu)點(diǎn)。
不過迄今為止，有機(jī)材料的性能仍不如無機(jī)材料，比如用無機(jī)材料——柔性熱電材料做成的腕表，其可通過體溫和外界環(huán)境溫差來充電，但如果用現(xiàn)在的碳納米管/聚合物復(fù)合材料制造的話，將需要500平方厘米的纖維，比普通的腕表要大50倍。
研究人員解釋說，高性能熱電纖維在應(yīng)用過程中，其材料兩面會(huì)產(chǎn)生很大的溫差，由于碳納米管/聚合物復(fù)合材料非常薄，其表面垂直溫差就很有限；而被稱為新材料的“電氈”是一種多層碳納米管/聚合物復(fù)合材料，電輸出功率比以前大大提高。
“電氈”由幾百層導(dǎo)熱和絕熱薄膜交替構(gòu)成，導(dǎo)熱材料中含有碳納米管，絕熱材料由聚合物構(gòu)成，每層的厚度僅為25~40微米，層與層之間平行排列，使溫差呈梯度漸變。由于塞貝克效應(yīng)，電子或空穴會(huì)從熱的一邊遷移到冷的一邊，這可使溫差轉(zhuǎn)化為電壓。由于總電壓等于每層電壓的和，所以增加層數(shù)就相當(dāng)于串聯(lián)電源增加電壓，而層數(shù)只受到熱源所能產(chǎn)生的總體溫差的限制。在新研究中，熱源的溫度限制在117℃，達(dá)到或超過這一溫度，聚合物就會(huì)變形。
研究人員演示了一塊由72層纖維制作的“電氈”，當(dāng)溫差升至50℃時(shí)，能產(chǎn)生137納瓦的最大功率。理論上功率還能再提高，如用300層纖維產(chǎn)生100℃溫差，輸出功率將達(dá)到50萬納瓦。
“目前，如果要是做腕表的話，用這種纖維只要10平方厘米就夠了。而且薄膜層數(shù)越多，小面積內(nèi)的功率就越高。我們現(xiàn)在的材料還沒達(dá)到最優(yōu)化，未來，還能造出功率更高的材料。”維克森林大學(xué)納米技術(shù)中心大衛(wèi)·卡洛說，如果大規(guī)模生產(chǎn)多層碳納米管/聚合物復(fù)合材料，用它們發(fā)電的成本可以降到每瓦1美元，而且很容易生產(chǎn)。相比之下，碲化鉍等熱電材料的發(fā)電成本為每瓦7美元。“這種材料的用途很廣，且電流輸出功率很容易調(diào)節(jié)。如果需要更高功率，只需要換個(gè)更大面積的材料即可。”卡洛說。
研究人員預(yù)測(cè)，除了制作腕表，低成本有機(jī)熱電纖維還可用于服裝，比如做夾克的內(nèi)襯，使用者利用體熱和戶外溫差給iPod等電子產(chǎn)品充電等。
此外，這種“電氈”還能用于回收利用汽車廢熱、提高燃料燃燒里程、作為座椅內(nèi)襯輔助給交通工具充電、安裝在屋頂板下幫助減少房屋耗電量等。