新的制造工艺可让热电装置在更多场景中发挥作用

（文章来源：科技报告与资讯）

热电材料将热量转化为电能，反之亦然。然而，它们在收集废热中的应用受到制造和材料的限制。寻找具有成本效益的方法来覆盖较大且可能复杂的表面仍然是一个问题，这对于充分利用余热源而言至关重要。

劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（LLNL）的材料科学家使用一种称为冷喷涂沉积的增材制造技术来制造热电发生器，该热电发生器可以从以前难以获得的来源（例如具有复杂几何形状的管道）中收集废热。发电机在较宽的温度范围内均显示出良好的性能。

余热是巨大的未开发资源。美国工业每年因废热而损失的能量达到13万亿BTU。BTU（英制热量单位）是能量的计量单位。3,600 BTU相当于大约1千瓦时。

但是，只有四分之三废热可以通过过程共置、锅炉的能量回收和热电回收等方法来回收并投入使用。收集能量的一个挑战是设计一种能够有效收集热量的发电机。为了使热电材料有效，必须将温度梯度转换为电压。它还需要高电导率，但低热导率。

在发表在《The Minerals, Metals & Materials Society (JOM)》（JOM）上的这项新研究中，研究小组在不锈钢，硅酸铝和石英等基材上冷喷涂了碲化铋粉末。喷涂的材料具有随机取向的微观结构，基本上没有孔，并且无需大量的成分变化即可实现冷喷涂沉积。

LLNL材料物理学家Alex Baker说：“这些结果证明了冷喷涂增材制造的强大功能和多功能性，并提供了制造复杂几何形状的热电发电机的途径，而传统方法无法制造这种复杂的热电发电机。”涂层的冷喷涂沉积在整个行业中广泛用于耐腐蚀覆层，表面功能化和局部修复。在这种技术中，微米级金属颗粒被夹带在超声气体中并被引导到金属表面上。撞击时，颗粒发生塑性变形并与表面或彼此粘合。

冷喷涂通常仅限于可延展材料，使其非常适合于结构元件和合金，但不适用于通常易碎的功能材料。LLNL与工业合作伙伴TTEC热电技术公司合作，努力扩大可冷喷涂的材料范围，这是能源部资助的技术商业化资金（TCF）计划的一部分。

Bake说：“冷喷涂在相对较低的温度下工作，低于大多数功能材料的熔点，因此考虑采用增材制造技术来保留定制的驱动功能特性的微结构是很有吸引力的。”

热电发电机（TEG）没有活动部件，不基于化学反应，并且使用寿命长，并且没有维护要求，因此非常适合作为偏远或人迹罕至的地方的电源。迄今为止，采用TEG收集废热受到了限制，部分原因是难以制造与散热片紧密接触或从传输管辐射的零件。

研究小组得出结论，冷喷涂沉积可以在各种基板上制造大块的热电碲化铋，而又不损失结构完整性，这表明冷喷涂是热电材料传统制造方法的可行替代方案。TCF首席研究员哈里·拉杜斯基（Harry Radousky）表示：“我们的目标之一是将这项技术引入LLNL，并将其应用于广泛的增材制造问题。”
      （责任编辑：fqj）