8月7日，日本東海大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)在綜合學(xué)術(shù)期刊《Advanced Science》發(fā)表論文，宣布成功開發(fā)出一種基于單壁碳納米管薄膜的熱電器件。該器件無需外部電源或機(jī)械冷卻裝置，僅通過更換不同材質(zhì)的支撐基板，即可在同一薄膜結(jié)構(gòu)下實(shí)現(xiàn)熱電發(fā)電與熱流傳感兩種功能的自由切換。

傳統(tǒng)熱電器件依賴塞貝克效應(yīng)將溫差直接轉(zhuǎn)化為電能，但普遍面臨低溫側(cè)必須搭配散熱板或風(fēng)扇的物理限制，導(dǎo)致安裝空間與使用場(chǎng)景受限。此次研發(fā)團(tuán)隊(duì)以環(huán)境友好型單壁碳納米管為核心活性層，構(gòu)建了具有雙電學(xué)特性區(qū)域的薄膜結(jié)構(gòu)。器件中央?yún)^(qū)域溫度相對(duì)周圍的高低變化，直接決定了電流流向與輸出電壓極性，從而衍生出截然不同的工作模式。

實(shí)現(xiàn)模式切換的核心在于基板的光學(xué)與熱學(xué)特性匹配。單壁碳納米管薄膜對(duì)紅外線的吸收率接近百分之百，而不同基板的紅外透過率存在顯著差異。當(dāng)采用環(huán)狀烯烴聚合物基板時(shí)，其紅外線透過率達(dá)45.8%，熱量直接穿透基板加熱薄膜中心，形成內(nèi)高外低的溫度梯度，器件穩(wěn)定輸出電能。若替換為聚乙烯萘酯基板，其紅外線透過率僅為0.20%，基板自身率先吸熱升溫，使薄膜中心處于相對(duì)低溫狀態(tài)。這種瞬態(tài)溫差僅在系統(tǒng)達(dá)到熱平衡前產(chǎn)生電壓，完美契合熱流傳感需求。

除光學(xué)透過率決定電壓極性外，基板的熱慣性與厚度同樣影響輸出表現(xiàn)。聚酰亞胺基板因厚度較大、熱慣性更強(qiáng)，溫度均化過程更長，對(duì)應(yīng)的感應(yīng)電壓幅值與持續(xù)時(shí)間均高于聚乙烯萘酯基板。實(shí)驗(yàn)表明，該器件在約52攝氏度的工作環(huán)境下，內(nèi)部可自然維持1至3攝氏度的溫差，徹底擺脫了傳統(tǒng)半導(dǎo)體制冷片的依賴。目前器件開路電壓為0.38毫伏，輸出功率約0.47納瓦；作為熱流傳感器時(shí)，其靈敏度達(dá)每開爾文45微伏，與工業(yè)界廣泛使用的K型熱電偶基本持平。

柔性部署與無源監(jiān)測(cè)的應(yīng)用前景

由于省去了龐大的散熱模塊與供電線路，該熱電器件在狹小空間與異形表面的部署上具備獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。研發(fā)團(tuán)隊(duì)指出，將環(huán)狀烯烴聚合物基板發(fā)電單元與聚乙烯萘酯基板傳感單元并置于同一熱源表面，可構(gòu)建完全無源的局部熱流監(jiān)控系統(tǒng)。在新能源汽車動(dòng)力電池包的熱失控預(yù)警、數(shù)據(jù)中心服務(wù)器集群的異常發(fā)熱追蹤，以及貼合人體或復(fù)雜機(jī)械曲面的可穿戴監(jiān)測(cè)場(chǎng)景中，該技術(shù)有望替代部分傳統(tǒng)有線測(cè)溫方案。

工程轉(zhuǎn)化瓶頸與選型參考

盡管實(shí)驗(yàn)室階段已驗(yàn)證功能切換邏輯，但面向?qū)嶋H產(chǎn)線導(dǎo)入，采購方與系統(tǒng)集成商仍需關(guān)注多項(xiàng)工程指標(biāo)。當(dāng)前單片器件的輸出功率處于納瓦級(jí)，驅(qū)動(dòng)常規(guī)無線通信模組或微型控制器需將至少百組單元串聯(lián)，并配合直流升壓電路進(jìn)行能量管理。此外，樹脂基板的耐熱上限限制了高溫工況的直接應(yīng)用，后續(xù)量產(chǎn)需重點(diǎn)突破高分子封裝工藝以保障長期濕熱穩(wěn)定性，并通過標(biāo)準(zhǔn)熱循環(huán)測(cè)試驗(yàn)證界面附著力衰減情況。

• 核對(duì)基板紅外透過率與熱擴(kuò)散系數(shù)，確保目標(biāo)應(yīng)用場(chǎng)景下的溫差極性與響應(yīng)時(shí)間符合設(shè)計(jì)預(yù)期
• 評(píng)估微納能量收集系統(tǒng)的串聯(lián)拓?fù)渑c升壓芯片匹配度，避免低電壓?jiǎn)?dòng)閾值導(dǎo)致信號(hào)丟失
• 確認(rèn)柔性基材的耐溫等級(jí)與封裝膠體兼容性，防止長期熱應(yīng)力引發(fā)薄膜剝離或阻抗漂移

下一步，研究團(tuán)隊(duì)將聚焦提升單位面積輸出功率，并開展模擬真實(shí)工況的加速老化試驗(yàn)。對(duì)于國內(nèi)從事低功耗物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)、電池管理系統(tǒng)或工業(yè)在線熱監(jiān)控的企業(yè)而言，此類無源傳感架構(gòu)提供了簡(jiǎn)化硬件堆疊的新思路，但距離規(guī)?；逃萌孕柙诓牧弦恢滦钥刂婆c接口標(biāo)準(zhǔn)化方面持續(xù)迭代。