CN108103634A - 纺织结构热电转换器件的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种纺织结构热电转换器件的制备方法，该纺织结构热电转换器件由一种或几种热电纱线作为热电发电结构的热电偶，以弹性绝缘纱线作为织物主体承载部分，并利用织物经纬纱之间交织重叠的特点，将热电纱线采用传统纺织技术织造成热电发电织物结构，通过改变织物的交织结构、热电纱线的放置位置及其热对偶的长度改变其热电传输性能和主体承载性能，可广泛并灵活应用于运动健康及医疗类智能服装、智能家居、可穿戴触控屏、电子甚至汽车、建筑等领域。
Description
技术领域
本发明涉及热电发电领域，特别是P型、N型以及PN型热电纱线及其热电发电织物的结构及制备方法。
背景技术
热电织物是可以将热能直接转换成电能的绿色能源材料，其性能主要取决于热电优值，热电优值高的热电织物，其热电转换效率高，热电织物以其独有的绿色无污染，易加工，能量转换不需其他介质等特点引起了人们的广泛关注。
纺织品与人体接触密切，可作为各类微纳电子器件的优良柔性载体。将织物与热电结合开发织物热电器件，可为微纳米电子器件提供能量。同时，三维纺织结构具有一次成型，力学性能优良等特点现已被应用于部分领域，将三维纺织结构与热电结合开发高性能热电器件，可用于建筑结构，汽车等领域。例如，CN101056481B公布了一种结合热电结构形成的纺织结构，其采用导线、介电线、缝线等采用提花针织方法形成该纺织结构；CN106206923A公布了一种柔性可穿戴式温差发电装置，其采用上层基板、下层基板、铜箔、上层纺织层、下层纺织层、隔热层、P型半导体粒子、N型半导体粒子、柔性导线制造出层式发电织物；CN106415865A公布了一种热电用三维正交织物，其采用两种不同的金属线构成闭合回路，再结合弹性丝制造出三维机织物；CN10313865A公布了一种温差致电的纺织品及其制造方法，其采用一基布以及至少两个不同材质的热电传导导线，以车缝或刺绣的方式交错配置于该基布形成该纺织品。
以上现有研究均着眼于结构尺度，所用原材料繁多，结构复杂，实际制造过程困难，品种单一，结构控制不匀，因此导致最终所得纺织结构材料热电转换效率偏低，且多数纺织结构热电织物的温差及电流方向为面内方向，无法利用沿织物厚度方向的温差产生沿此方向的电流，从而限制了此类纺织结构热电织物的进一步应用。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种基于热电纱线尺度的低成本高效率的热电发电结构织物设计及其织造方法，克服了以上原材料繁多，结构复杂，实际制造过程困难，品种单一，结构控制不匀等缺点所导致的纺织结构材料热电转换效率偏低的缺点，且产生的电流沿织物厚度方向，具有广泛应用前景。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种热电发电结构织物的设计及其织造方法，包括：热电纱线的制备以及具有热电发电功能的热电织物的设计及制备。第一步，采用直接制备法、间接制备法中的一种或两种方法混合使用的方法制备P型、N型、或PN型的热电纱线；第二步，将第一步所得有一定弹性和可织造性能的热电纱线进行织造，得到具有热电发电功能的热电织物。所述热电织物具有热电发电及电制冷功能。
所述热电纱线为包芯纱结构或沿纱线直径方向的均质结构；所述热电纱线的导电成分为无机热电织物或有机热电织物中的一种或多种的混合物；所述热电纱线制备方法包括直接制备法、掺杂、涂覆或原位聚合中的一种或多种方法混合使用；所述热电纱线的导电类型通过调节所选热电织物类型实现；所述热电纱线的发电效率通过调节PN结区长度以及组织密度来进行调控。
所述具有热电发电功能的纺织结构的设计及制备方法为机织、针织或编织中的一种或多种；所述具有热电发电功能的纺织结构为二维或三维结构。
采用上述技术方案，本发明的有益效果在于：该纺织结构热电转换器件由一种或几种热电纱线作为热电发电结构的热电偶，以弹性绝缘纱线作为织物主体承载部分，并利用织物经纬纱之间交织重叠的特点，将热电纱线采用传统纺织技术织造成热电发电织物结构，通过改变织物的交织结构、热电纱线的放置位置及其热对偶的长度改变其热电传输性能和主体承载性能，可广泛并灵活应用于运动健康及医疗类智能服装、智能家居、可穿戴触控屏、电子甚至汽车、建筑等领域。基于热电纱线尺度的低成本高效率的热电发电结构织物设计及其织造方法，克服了原材料繁多，结构复杂，实际制造过程困难，品种单一，结构控制不匀等缺点所导致的纺织结构材料热电转换效率偏低的缺点，且产生的电流沿织物厚度方向，具有广泛应用前景。
附图说明
图1为各热电织物热电发电等效电路图。
图2为平纹热电织物织造循环示意图。
图3为纬编热电织物织造循环示意图。
图4为三向正交热电织物织造循环示意图。
图5为缝合热电织物织造循环示意图。
图6为间隔织物热电织物织造循环示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对发明做进一步说明：
一种热电发电结构织物的设计及其织造方法，采用直接制备法，间接制备法的掺杂、涂覆，溅射或原位聚合中的一种或多种方法混合使用的方法，制备而成的P型、N型、PN型热电纱线，将有一定弹性和可织造性能的所述热电纱线进行织造，得到具有热电发电功能的热电织物。所述热电织物具有热电发电及电制冷功能。
实施例一：
图2为本发明实施例一的热电织物示意图，本实施例中的热电织物为平纹机织结构，将绝缘经纱沿织物成型方向排列在小样机上，交替引入一根PN型热电纱线和一根绝缘纱线作为纬纱，经若干循环后形成所需织物，如图2所示，在织物的厚度方向施加温差即产生恒定电流
本实施例中，所用成型织机包括但不局限于小样机；所用纱线均为柔软有一定强力具有可织造性能的纱线。
实施例二：
图3为本发明实施例二的热电织物示意图，本实施例中的纺织结构热电发电材料为纬编针织结构，采用P型热电纱线，N型热电纱线，绝缘纱线和热电纱线，将P型热电纱线和N型热电纱线交替喂入针织机的钩针，若干循环后形成所需织物。织造完成后引入绝缘纱线和热电纱线。在织物厚度方向施加温差即产生恒定电流。
本实施例中，所用织物成型机构包括但应不局限于针织机；所用纱线均为柔软有一定强力具有可织造性能的纱线；绝缘纱线一方面承载部分温差的过渡，更重要的是避免织物内部出现短路现象；绝缘纱线和热电纱线的引入顺序和引入方法不唯一，但应都包含在本发明内。
实施例三：
图4为本发明实施例三的热电织物结构示意图，本实施例中的纺织结构热电发电材料为三向正交三维机织结构，图4为本实施例中所用纱线示意图，将绝缘经纱沿织物成型方向按一定经密排列在三维织机上，依次引入一根PN型热电纱线和绝缘纬纱。根据所需织物长度控制织造循环数，从而得到所需织物。在织物的厚度方向施加温差即产生恒定电流。
本实施实例中，所用织物成型机构应包括但不局限于三维织机；所用纱线均为柔软有一定强力具有可织造性能的纱线；绝缘经纱的层数应根据所需织物厚度确定；绝缘经纱和绝缘纬纱构成织物厚度承载温差过渡，且绝缘经纱还将各PN型热电热电纱线隔离开，避免织物内部出现短路现象。
实施例四：
图5为本发明实施例四的热电织物结构示意图，本实施例中的热电织物为缝合织物结构，将绝缘织物按顺序交叠好，将一根PN型纱线缝入织物中，根据所需热电偶数量和位置安排PN型纱线的排列方式，最终形成完整发电织物。这样在织物的厚度方向施加温差即产生恒定电流
本实施实例中，缝合手段包括自动，半自动和非自动缝入，缝合方式应包括但不局限于锁式缝合；所用纱线均为柔软有一定强力具有可织造性能的纱线；织物种类不限，且上下两层织物种类相同或不同；织物维度不限，应包括各种二维和三维织物，且各二维和三维织物的厚度不限；交叠的绝缘织物的层数不限，但应大于或等于一层；绝缘织物起到承载温差过渡的作用，且将PN型热电纱线分隔开，以免造成短路现象。
实施例五：
图6为本发明实施例五的热电织物结构示意图，本实施例中的纺织结构热电发电材料为间隔织物结构，间隔织物有三个系统纱线，两个系统的表层纱和一个系统的间隔纱组成，其中两个系统的表层纱均为绝缘纱线，而间隔纱为PN型热电纱线。将上下两层织物按预设间隔排列好后，用一根PN型纱线将两层织物连接起来，根据所需热电偶数量和位置安排PN型纱线的排列方式，最终形成完整发电织物。在织物的厚度方向施加温差即产生恒定电流。
本实施实例中，成型方式包括但不局限于手动成型；所用纱线均为柔软有一定强力具有可织造性能的纱线。PN型热电纱线的连接方式包括但不局限于本实施例，其连接方式可任意变化，保证能成为一个可供使用的整体；两个系统的表层织物种类应包括但不局限于同种；上下两个表层的织物组织不限；上下两个表层起到承载过渡温差的作用。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种纺织结构热电转换器件的制备方法，其特征在于：它包括有：
第一步，采用直接制备法、间接制备法中的一种或两种方法混合使用的方法制备P型、N型、或PN型的热电纱线；
第二步，将第一步所得有一定弹性和可织造性能的热电纱线进行织造，得到具有热电发电功能的热电织物。
2.如权利要求1所述的纺织结构热电转换器件的制备方法，其特征在于：所述热电纱线的导电成分可为无机热电织物或有机热电织物中的一种或两种以上的混合物。
3.根据权利要求1所述的纺织结构热电转换器件的制备方法，其特征在于：热电纱线为包芯纱结构或沿纱线直径方向的均质结构。
4.根据权利要求1所述的纺织结构热电转换器件的制备方法，其特征在于：热电纱线的导电成分为无机热电织物或有机热电织物中的一种或两种以上的混合物。
5.根据权利要求1所述的纺织结构热电转换器件的制备方法，其特征在于：热电纱线制备方法包括直接制备法、掺杂、涂覆或原位聚合中的一种或两种以上混合使用。
6.根据权利要求1所述的纺织结构热电转换器件的制备方法，其特征在于：热电纱线的导电类型通过调节所选热电织物类型实现。
7.根据权利要求1所述的纺织结构热电转换器件的制备方法，其特征在于：热电纱线的发电效率通过调节PN结区长度以及组织密度来进行调控。
8.根据权利要求1所述的纺织结构热电转换器件的制备方法，其特征在于：所述热电织物采用机织、针织或编织中的一种或两种以上方法制作完成。
9.根据权利要求1所述的具有热电发电功能的纺织结构的设计及制备，其特征在于，具有热电发电功能的所述热电织物为二维或三维的纺织结构。
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