CN114203891B - 一种泡棉填充的柔性可穿戴热电发电机的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种泡棉填充的柔性可穿戴热电发电机的制备方法，采用泡棉填充为柔性热电发电器件提供良好的绝热效果，减少器件的热损失，增大器件的冷热端温差，提升器件的输出功率，并且泡棉的成本低廉，材质柔软，弯曲半径更小，应用于人体穿戴具有更好的舒适性，在环境温度23℃的情况下实际测试泡棉填充的热电发电机戴在人体身上的输出功率密度可达到4μw/cm2，相比于PDMS填充的器件提高了60％～100％，弯曲半径达到5mm，解决了现有技术采用PDMS作为填充物热导率较高，生产成本较高，机械硬度较高导致了在人体上穿戴的舒适度也不佳的问题。
Description
技术领域：
本发明涉及柔性发电技术领域，具体涉及一种泡棉填充的柔性可穿戴热电发电机的制备方法。
背景技术：
可穿戴电子设备有望成为未来便携式电子设备主流之一。热电转换材料是一种基于半导体内部载流子运动的能源转换材料。基于塞贝克效应的柔性热电发电机(f-TEG)可以利用人体热量作为能源，为可穿戴电子设备提供电源，从而吸引了许多研究者的关注。
柔性可穿戴热电发电机主要分为薄膜型和块体型两种。影响热电发电机输出性能的关键参数为器件两端的温差，薄膜型器件由于隔热效果较弱，器件冷热两端的温差较小，所以导致其输出的功率较低。以碲化铋材料为核心发电体的块体型柔性器件的输出功率是薄膜型的2倍以上。
目前块体可穿戴热电发电机的主流填充物为聚二甲基硅氧烷(PDMS，polydimethylsiloxane)，填充物的热导率作为影响器件冷热两端温差的重要影响因素，因此降低填充物的热导率是提升器件输出功率主要手段，PDMS作为填充物也有其本身的缺点，热导率较高，生产成本较高，机械硬度较高导致了在人体上穿戴的舒适度也不佳。
发明内容：
本发明的目的是提供一种泡棉填充的柔性可穿戴热电发电机的制备方法，采用泡棉填充为柔性热电发电器件提供良好的绝热效果，减少器件的热损失，增大器件的冷热端温差，提升器件的输出功率，并且泡棉的成本低廉，材质柔软，弯曲半径更小，应用于人体穿戴具有更好的舒适性，在环境温度23℃的情况下实际测试泡棉填充的热电发电机戴在人体身上的输出功率密度可达到4μw/cm2，相比于PDMS填充的器件提高了60％～100％，弯曲半径达到5mm，解决了现有技术采用PDMS作为填充物热导率较高，生产成本较高，机械硬度较高导致了在人体上穿戴的舒适度也不佳的问题。
本发明是通过以下技术方案予以实现的：
一种泡棉填充的柔性可穿戴热电发电机的制备方法，该方法包括以下步骤：
1)准备两片长宽为2cm*2cm～5cm*5cm，厚度为0.01mm～0.08mm的铜箔，将铜箔背面分别贴上耐高温的聚酰亚胺(简称PI)胶带，将画好的规则电路图通过激光打印机打印至转印纸上，将转印纸上的电路图通过热压技术把油墨转印至铜箔上，压力为10kPa，温度180℃，时间30s；电路图分为上下两个部分，对应转印在上下两片铜箔上；激光打印机油墨覆盖的部分为需要规则排布的电极铜片；
2)将步骤1)得到的上下两片铜箔泡入腐蚀铜的腐蚀剂(例如过硫酸钠)中，将没有被油墨覆盖的部分腐蚀掉，最后使用丙酮将油墨冲洗掉，得到精确度为±0.05mm、与热电臂尺寸相匹配的上下两组电极；
3)将步骤2)得到的上下两组电极通过钢网印刷技术印刷上成分为Sn42Bi52的锡膏，锡膏厚度为0.09mm～0.16mm；将P型碲化铋Bi0.5Sb1.5Te3和N型碲化铋Bi2Se0.3Te2.7热电臂(P型和N型立方形碲化铋热电臂均为江西纳米克公司提供)交替排列放置在印刷有锡膏的下电极上，P型碲化铋Bi0.5Sb1.5Te3和N型碲化铋Bi2Se0.3Te2.7热电臂的高度为1mm～6mm，长度和宽度为W1，W1为1mm-2.5mm，放置在热压机上进行热压焊接，温度为170℃，压力为2kPa,时间为40s得到连接好的π型热电对；
4)将步骤3)得到的连接好的π型热电对从聚酰亚胺(简称PI)胶带上取下，准备一个新的大小一样聚酰亚胺PI胶带，然后π型热电对规则排列在新的PI胶带上，且P型和N型热电臂连接的铜电极呈拱桥型排布到聚酰亚胺(PI)胶带上，热电臂的间隔都保持为D1长度，D1长度为1mm～5mm；
5)将按照步骤4)得到的器件尺寸加工定制好的耐高温EPDM泡棉或密胺泡棉填充入步骤4)得到的器件中，将步骤3)得到的印刷有锡膏的上电极按照对应电路放置使P型热电臂和N型热电臂首尾相连，然后放置在热压机上热压焊接，温度为170℃，压力为10kPa,时间为40s，最后撕掉上下电极的聚酰亚胺PI胶带；
6)将一片与器件大小一样的可弯曲的散热器的一面用钢网印刷技术涂上导热硅胶，导热硅胶的厚度为0.05mm～0.2mm，将散热器盖在步骤5)得到的器件上电极上进行冷压，使器件的上电极与散热器上的导热硅胶粘连，冷压压力为2kPa，冷压时间为6h。
优选地，铜箔厚度为0.03mm～0.06mm，D1长度为2mm～5mm，锡膏厚度为0.1mm～0.13mm，P型碲化铋Bi0.5Sb1.5Te3和N型碲化铋Bi2Se0.3Te2.7热电臂的高度为2mm～5mm。导热硅胶的厚度为0.08mm～0.15mm。
优选地，散热器为可弯曲且导热率大于1W/(m*K)的材料如不锈钢和铜片，或者导热硅胶垫。不锈钢和铜片的厚度为0.03mm～0.08mm；导热硅胶垫厚度0.3mm。
本发明的有益效果如下：
1)本发明成本低廉,制备方法简单。
2)P型和N型热电臂连接的铜电极呈拱桥型排布到聚酰亚胺(PI)胶带上可以使用杨氏模量、泊松比以及热导率均很小且几乎不可拉伸的泡棉作为填充物，较低的杨氏模量提升器件柔性，减少了弯曲弯曲应力，同时超低热导率泡棉填充为柔性热电发电器件提供良好的绝热效果，可以减少器件的热量损失，从而增大器件的冷热两端温差，提升器件输出功率，结果显示，环境温度23℃的情况下，实际测试泡棉填充的热电发电机戴在人体身上的输出功率密度可达到4μw/cm2，相比较于目前广泛应用的PDMS填充来说，泡棉填充的器件输出功率增强了60％～100％。并且泡棉的成本低廉，材质柔软，弯曲半径更小，弯曲半径甚至达到4mm，应用于人体穿戴具有更好的舒适性，解决了现有技术采用PDMS作为填充物热导率较高，生产成本较高，机械硬度较高导致了在人体上穿戴的舒适度也不佳的问题。
附图说明：
图1是柔性可穿戴热电发电机的电路图，其中左图为上电极，右图为下电极；
图2是柔性可穿戴热电发电机的工艺流程图。
图3是柔性可穿戴热电发电机的结构示意图。
具体实施方式：
以下是对本发明的进一步说明，而不是对本发明的限制。
实施例1：
(1)准备两片长宽为5cm*5cm厚度为0.06mm的铜箔，然后将铜箔背面分别贴上耐高温的聚酰亚胺胶带(胶带型号为深圳市昌达祥电子有限公司-1Z2555，步骤参见图2中A)，将画好的规则的电路图通过激光打印机(HPLaserJet400MFP)打印至转印纸上，将转印纸上的电路图通过热压技术把油墨转印至铜箔上，压力为10kPa，温度180℃，时间30s(参见图2中B)。如图1所示，电路图分为上下两个部分，对应转印在上下两片铜箔上；激光打印机油墨覆盖的部分为需要规则排布的电极铜片；
(2)将步骤(1)得到的上下两片铜箔泡入铜腐蚀剂中将没有被油墨覆盖的部分腐蚀掉，最后使用丙酮将油墨冲洗掉得到精确度为±0.05mm、与热电臂尺寸相匹配的上下两组电极(参见图2中C)。
(3)将去掉油墨的上下两组电极通过钢网印刷技术印刷上厚度为0.13mm厚的锡膏。将P型碲化铋(Bi0.5Sb1.5Te3)和N型碲化铋(Bi2Se0.3Te2.7)热电臂(P型碲化铋Bi0.5Sb1.5Te3和N型碲化铋Bi2Se0.3Te2.7热电臂的高度为5mm，长度和宽度等于W1，W1为2.5mm，P型和N型立方形碲化铋热电臂均为江西纳米克公司提供)交替排列放置在印刷有锡膏的下电极片上(参见图2中D)，再将器件放置在热压机上进行热压焊接，温度为170℃，压力2kPa,时间40s得到连接好的π型热电对。
(4)将步骤(3)得到的连接好的π型热电对从聚酰亚胺(简称PI)胶带上取下，准备一个新的大小一样聚酰亚胺PI胶带，然后π型热电对规则排列在新的PI胶带上，且P型和N型热电臂连接的铜电极呈拱桥型排布到聚酰亚胺(PI)胶带上，热电臂的间隔都保持为D1长度，D1为5mm(参见图2中E)。
(5)将按照步骤(4)得到的器件尺寸加工定制好密胺泡棉(SHOW·JIE公司提供)填充入步骤(4)得到的器件中(参见图2中F)，将印刷有焊锡膏的上电极按照对应电路放置使P型热电臂和N型热电臂首尾相连，然后放置在热压机上热压焊接，温度为170℃，压力10kPa,时间40s(参见图2中G)。最后撕掉上下电极的PI胶带。
(6)将一片厚度为0.03mm厚的与器件大小一样的可弯曲的散热器不锈钢片一面用钢网印刷技术涂上厚度为0.08mm导热硅胶，将不锈钢钢片盖在步骤5)得到的器件上电极上进行冷压，器件的上电极与不锈钢上的导热硅胶粘连，冷压压力为2kPa，冷压时间6h。得到柔性可穿戴热电发电机，结构如图3所示，实际测试泡棉填充的热电发电机的输出功率密度可达到4μw/cm2，相比于PDMS填充的器件提高了60％，弯曲半径为4mm。
实施例2：
(1)准备两片长宽为4cm*4cm厚度为0.05mm的铜箔，然后将铜箔背面分别贴上耐高温的聚酰亚胺胶带，将画好的规则的电路图通过激光打印机打印至转印纸上，将转印纸上的电路图通过热压技术把油墨转印至铜箔上，压力为10KPa，温度180℃，时间30s。电路图分为上下两个部分，对应转印在上下两片铜箔上；激光打印机油墨覆盖的部分为需要规则排布的电极铜片；
(2)将步骤(1)得到的上下两片铜箔泡入铜腐蚀剂中将没有被油墨覆盖的部分腐蚀掉，最后使用丙酮将油墨冲洗掉得到精确度为±0.05mm、与热电臂尺寸相匹配的上下两组电极。
(3)将去掉油墨的上下两组电极通过钢网印刷技术印刷上厚度为0.11mm厚的锡膏。将P型碲化铋(Bi0.5Sb1.5Te3)和N型碲化铋(Bi2Se0.3Te2.7)热电臂(P型碲化铋Bi0.5Sb1.5Te3和N型碲化铋Bi2Se0.3Te2.7热电臂的高度为4mm，长度和宽度等于W1，W1为2mm，P型和N型立方形碲化铋热电臂均为江西纳米克公司提供，)交替排列放置在印刷有锡膏的下电极片上，再将器件放置在热压机上进行热压焊接，温度为170℃，压力2KPa,时间40s得到连接好的π型热电对。
(4)将步骤(3)得到的连接好的π型热电对从聚酰亚胺(简称PI)胶带上取下，准备一个新的大小一样聚酰亚胺PI胶带，然后π型热电对交替排列在新的PI胶带上，且P型和N型热电臂连接的铜电极呈拱桥型排布到聚酰亚胺(PI)胶带上，热电臂的间隔都保持为D1长度。其中D1为3mm。
(5)将按照步骤(4)得到的器件尺寸加工定制好密胺泡棉填充入步骤(4)得到的器件中，将印刷有焊锡膏的上电极按照对应电路放置使P型热电臂和N型热电臂首尾相连，然后放置在热压机上热压焊接，温度为170℃，压力10kPa,时间40s。最后撕掉上下电极的PI胶带。
(6)将一片厚度为0.06mm厚的与器件大小一样的不锈钢片一面用钢网印刷技术涂上厚度为0.1mm导热硅胶，将不锈钢钢片盖在步骤5)得到的器件上电极上进行冷压，器件的上电极与不锈钢上的导热硅胶粘连，冷压压力为2kPa，冷压时间6h。实际测试泡棉填充的热电发电机的输出功率密度可达到4μw/cm2，相比于PDMS填充的器件提高了80％，弯曲半径达到5mm。
实施例3：
(1)准备两片长宽为2cm*2cm厚度为0.03mm的铜箔，然后将铜箔背面分别贴上耐高温的聚酰亚胺胶带，将画好的规则的电路图通过激光打印机打印至转印纸上，将转印纸上的电路图通过热压技术把油墨转印至铜箔上，压力为10kPa，温度180℃，时间30s。电路图分为上下两个部分，对应转印在上下两片铜箔上；激光打印机油墨覆盖的部分为需要规则排布的电极铜片。
(2)将步骤(1)得到的上下两片铜箔泡入铜腐蚀剂中将没有被油墨覆盖的部分腐蚀掉，最后使用丙酮将油墨冲洗掉，得到精确度为±0.05mm、与热电臂尺寸相匹配的上下两组电极。
(3)将去掉油墨的上下两组电极通过钢网印刷技术印刷上厚度为0.1mm厚的锡膏。将P型碲化铋(Bi0.5Sb1.5Te3)和N型碲化铋(Bi2Se0.3Te2.7)热电臂(P型碲化铋Bi0.5Sb1.5Te3和N型碲化铋Bi2Se0.3Te2.7热电臂的高度为2mm，长度和宽度等于W1，W1为1mm，P型和N型立方形碲化铋热电臂均为江西纳米克公司提供，)交替排列放置在印刷有锡膏的下电极片上，再将器件放置在热压机上进行热压焊接，温度为170℃，压力2kPa,时间40s得到连接好的π型热电对。
(4)将步骤(3)得到的连接好的π型热电对从聚酰亚胺(简称PI)胶带上取下，准备一个新的大小一样聚酰亚胺PI胶带，然后π型热电对交替排列在新的PI胶带上，且P型和N型热电臂连接的铜电极呈拱桥型排布到聚酰亚胺(PI)胶带上，热电臂的间隔都保持为D1长度，D1间距为2mm。
(5)将按照步骤(4)得到的器件尺寸加工定制好密胺泡棉填充入步骤(4)得到的器件中，将印刷有焊锡膏的上电极按照对应电路放置使P型热电臂和N型热电臂首尾相连，然后放置在热压机上热压焊接，温度为170℃，压力10kPa，时间40s。最后撕掉上下电极的PI胶带。
(6)将一片厚度为0.3mm厚的与器件大小一样的导热硅胶垫一面用钢网印刷技术涂上厚度为0.08mm导热硅胶，将不锈钢钢片盖在步骤5)得到的器件上电极上进行冷压，器件的上电极与不锈钢上的导热硅胶粘连，冷压压力为2KPa，冷压时间6h。实际测试泡棉填充的热电发电机的输出功率密度可达到4μw/cm2，相比于PDMS填充的器件提高了100％，弯曲半径为7mm。
Claims (9)
1.一种泡棉填充的柔性可穿戴热电发电机的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1)准备两片长宽为2cm*2cm～5cm*5cm，厚度为0.01mm～0.08mm的铜箔，将铜箔背面分别贴上聚酰亚胺胶带，将画好的规则电路图通过激光打印机打印至转印纸上，将转印纸上的电路图通过热压技术把油墨转印至铜箔上，压力为10kPa，温度180℃，时间30s；电路图分为上下两个部分，对应转印在上下两片铜箔上；激光打印机油墨覆盖的部分为需要规则排布的电极铜片；
2)将步骤1)得到的上下两片铜箔泡入腐蚀铜的腐蚀剂中，将没有被油墨覆盖的部分腐蚀掉，最后使用丙酮将油墨冲洗掉，得到精确度为±0.05mm、与热电臂尺寸相匹配的上下两组电极；
3)将步骤2)得到的上下两组电极通过钢网印刷技术印刷上成分为Sn42Bi52的锡膏，锡膏厚度为0.09mm～0.16mm；将P型碲化铋Bi0.5Sb1.5Te3和N型碲化铋Bi2Se0.3Te2.7热电臂交替排列放置在印刷有锡膏的下电极上，P型碲化铋Bi0.5Sb1.5Te3和N型碲化铋Bi2Se0.3Te2.7热电臂的高度为1mm～6mm，长度和宽度为W1，W1为1mm-2.5mm，放置在热压机上进行热压焊接，温度为170℃，压力为2kPa,时间为40s得到连接好的π型热电对；
4)将步骤3)得到的连接好的π型热电对从聚酰亚胺胶带上取下，准备一个新的大小一样聚酰亚胺胶带，然后π型热电对规则排列在新的聚酰亚胺胶带上，且P型和N型热电臂连接的铜电极呈拱桥型排布到聚酰亚胺胶带上，热电臂的间隔都保持为D1长度，D1长度为1mm～5mm；
5)将按照步骤4)得到的器件尺寸加工定制好的耐高温EPDM泡棉或密胺泡棉填充入步骤4)得到的器件中，将步骤3)得到的印刷有锡膏的上电极按照对应电路放置使P型热电臂和N型热电臂首尾相连，然后放置在热压机上热压焊接，温度为170℃，压力为10kPa,时间为40s，最后撕掉上下电极的聚酰亚胺胶带；
6)将一片与器件大小一样的可弯曲的散热器的一面用钢网印刷技术涂上导热硅胶，导热硅胶的厚度为0.05mm～0.2mm，将散热器盖在步骤5)得到的器件上电极上进行冷压，使器件的上电极与散热器上的导热硅胶粘连，冷压压力为2kPa，冷压时间为6h。
2.根据权利要求1所述泡棉填充的柔性可穿戴热电发电机的制备方法，其特征在于，腐蚀铜的腐蚀剂为过硫酸钠。
3.根据权利要求1或2所述泡棉填充的柔性可穿戴热电发电机的制备方法，其特征在于，铜箔厚度为0.03mm～0.06mm，D1长度为2mm～5mm。
4.根据权利要求1或2所述泡棉填充的柔性可穿戴热电发电机的制备方法，其特征在于，锡膏厚度为0.1mm～0.13mm。
5.根据权利要求1或2所述泡棉填充的柔性可穿戴热电发电机的制备方法，其特征在于，P型碲化铋Bi0.5Sb1.5Te3和N型碲化铋Bi2Se0.3Te2.7热电臂的高度为2mm～5mm。
6.根据权利要求1或2所述泡棉填充的柔性可穿戴热电发电机的制备方法，其特征在于，导热硅胶的厚度为0.08mm～0.15mm。
7.根据权利要求1或2所述泡棉填充的柔性可穿戴热电发电机的制备方法，其特征在于，散热器为可弯曲且导热率大于1W/(m*K)的材料或者导热硅胶垫。
8.根据权利要求1或2所述泡棉填充的柔性可穿戴热电发电机的制备方法，其特征在于，导热硅胶垫厚度为0.3mm。
9.根据权利要求1或2所述泡棉填充的柔性可穿戴热电发电机的制备方法，其特征在于，散热器为厚度为0.03mm～0.08mm的不锈钢或铜片。
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