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南京工业大学宗鹏安课题组：兼具优异电磁屏蔽性能和传感功能的可透湿碳纤维基热电膜

已有 710 次阅读 2024-6-17 13:48 |个人分类:JAC|系统分类:科研笔记

原文出自 Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷) 期刊

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Cite this article:

Zhu J, Sun C, Feng W, et al. Permeable carbon fiber based thermoelectric film with exceptional EMI shielding performance and sensor capabilities. Journal of Advanced Ceramics, 2024, https://doi.org/10.26599/JAC.2024.9220922

https://doi.org/10.26599/JAC.2024.9220922

1、研究背景

近年来，对可穿戴电子设备的需求不断增长，推动了相应供电技术的开发。传统的电池技术由于需要频繁拆卸和充放电，给实际使用带来了不便。薄膜热电技术能够将体表热能转换为电能，具有免维护、安全可靠等优势。n型Bi₂Te₃及p型Sb₂Te₃体系材料是当前已知的室温热电性能最优热电薄膜材料。但它们具有刚性致密结构，透湿性能差。在皮肤温湿环境下会促进细菌生长，引起皮肤炎症等问题。

2、文章亮点

使用多孔碳纤维（CF）作为基底，在其内部碳纤维上电化学沉积Sb₂Te₃ (Bi₂Te₃)来构建交联核壳结构。得益于电导率和塞贝克系数的同时提升，与原碳纤维材料相比，复合膜功率因子提升300倍。同时，由于多孔结构的存在，赋予了复合膜优异的透湿性能。此外，复合膜拥有高达93 dB的电磁屏蔽性能。研究集成了基于该复合膜的触控传感器及呼吸传感器，并利用热电效应将手指皮肤热及呼吸气体热转换为电信号，有望应用于语言辅助以及呼吸频率监测。

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3、研究结果及结论

1.微观形貌：纯CF由无数根碳纤维柱组成，单根纤维直径～8 μm。电化学沉积Sb₂Te₃ (Bi₂Te₃)后，纤维直径分别增加至17 μm (19 μm)。热电材料均匀的包裹在单根碳纤维柱上，形成了交联的核壳结构。

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图1 （a–c）不同放大倍数下纯CF的SEM图；（d–f）不同放大倍数下CF/Sb₂Te₃的SEM图（插图为单根纤维截面图）；（g–i）不同放大倍数下CF/Bi₂Te₃的SEM图（插图为单根纤维截面图）

2. 热电性能：电化学沉积Sb₂Te₃ (Bi₂Te₃)后，得益于电导率和塞贝克系数的同时提升，CF/Sb₂Te₃和CF/Bi₂Te₃的功率因子为450 μW m⁻¹ K⁻²和121 μW m⁻¹ K⁻²。

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图2 Sb₂Te₃ (Bi₂Te₃)的（a）载流子浓度；（b）迁移率；（c）电导率；（d）塞贝克系数；（e）功率因子；（f）本工作与其他Bi-Te基膜材料功率因子比较图

3. 热电传感器：触控传感器：不同数量的手指触碰热电腿，输出不同的电压信号，可将电压信号转为特定的语言。呼吸传感器：将传感器集成在口罩上，位于口罩内侧的一侧作为热端，与人体呼出的空气接触；位于口罩外侧的一段作为冷端，暴露在空气中。在整个呼吸过程中，呼出的热气作为热源，在传感器两侧产生温差，从而产生电压信号。可用于检测人体不同运动状态下的呼吸频率。

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图3 （a）自供电触控传感器上用不同数量手指进行触摸演示；（b）自供电触控传感器对应于一至四个手指触摸产生的输出电压；（c）自供电触控传感器将产生的电压信号转换为单词，以“gold”为例；（d）集成在口罩中的呼吸传感器，背面靠近呼吸侧，正面暴露于空气中；（e）站立，深蹲和坐下时监测的呼吸信号

4. 透湿性能：为了保证材料在人体皮肤接触的舒适性，材料必须具备一定程度的透湿性，当材料贴合人体皮肤时，可以保证汗液能有效的透过复合膜。CF/Sb₂Te₃和CF/Bi₂Te₃具有优异的透湿性，分别高达3116 g m⁻² day⁻¹和3190 g m⁻² day⁻¹。

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图4 （a）水蒸气蒸发量随时间的变化；（b）CF，CF/Sb₂Te₃，CF/Bi₂Te₃和PI的水蒸气透过量；（c）水蒸气透过多孔复合膜演示；（d）CF/Bi₂Te₃和PI透湿性的直观演示

5. 电磁屏蔽性能：CF/Bi₂Te₃的EMI SE最高为93 dB。

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图5 （a）CF，CF/Sb₂Te₃和CF/Bi₂Te₃在8.2–12.4 GHz下的SE_T图；（b）SE_T、SE_A和SE_R平均值图；（c）本工作与其他被报道材料的EMI SE和厚度比比较；（d）电磁波（蓝牙耳机信号）屏蔽直观演示

4、作者及研究团队简介

宗鹏安（通讯作者），博士毕业于中国科学院上海硅酸盐研究所热电材料与器件课题组，随后在清华大学从事博士后研究工作，现任南京工业大学材料科学与工程学院副教授，粉体科学与工程研究所所长。长期从事半导体热电材料与器件、微纳与柔性制造及其在特殊能源、热管理及传感器中的应用研究。针对方钴矿提出二维/三维高密度异质界面电声解耦模型，强化界面声子散射，在热电优值取得突破基础上实现全方钴矿体系热电器件转换效率文献报道最高值，为我国深空探测同位素核电池的发展提供了关键材料技术支撑。在Energy Environ. Sci.、Nano Energy、Small、Carbon等期刊发表论文50余篇，申请发明专利20余件，编写中英文著作章节4章。主持国家自然科学基金NSAF联合基金等纵向项目10余项、工业企业横向项目多项。

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朱俊杰（第一作者），南京工业大学材料科学与工程学院材料与化工专业硕士研究生，主持江苏省研究生科研与实践创新计划项目1项，以第一作者发表SCI论文1篇。

Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷)期刊简介

Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷)期刊是由中华人民共和国教育部主管、清华大学出版社主办、清华大学出版社出版的国际学术期刊。2022年期刊影响因子为16.9，在SCI“材料科学：陶瓷”分类的28本期刊中排名第1。本刊就此成为SCI“材料科学：陶瓷”分类中首个影响因子突破15.0的期刊。

期刊中文网页：https://www.th-jac.com/

期刊英文网页：https://www.sciopen.com/journal/2226-4108