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空调是增加电力消耗的重要设备。据国际能源署发布的一份报告显示，“空调设备每年在全球能源消耗量约占每年全球总耗电量的 10%[1]”。

试想一下，在炎热的午后，当你独自居于屋内，不使用空调就能感受到凉爽和惬意是一种怎样的体验？而这种体验正是来源于新技术——穿上一件可以降低人体皮肤温度的衣服。

这或许令人觉得有点不可思议，但它的确在逐渐变成现实，并将有利于大幅降低能源消耗。

目前，要研发这类“神奇”的衣服，必须用到柔性热电器件，而它正是东华大学张坤教授所专注的研究领域。研究团队近年来专注于热电纤维及织物的结构设计、优化与制造。

图丨团队合照（来源：张坤）

近日，他带领团队开发了一种新型湿法纺丝工艺，可以连续规模化制造基于单壁碳纳米管的 p-n 分段式热电纱线。将该纱线绣在衬布上，能制作出可穿戴的三维热电织物。在 ΔT = 27.7K 处，该织物的输出功率密度为 501nWm2。

2022 年 10 月 5 日，相关论文以《直接湿纺单壁碳纳米管基 p-n 分段式纱线可用于可穿戴热电织物》（Direct Wet-Spun Single-Walled Carbon Nanotubes-Based p-n Segmented Filaments toward Wearable Thermoelectric Textiles）为题在 ACS Applied Materials & Interfaces 上发表[2]。

图丨相关论文（来源：ACS Applied Materials & Interfaces）

该论文的第一作者为东华大学纺织学院博士生杨晓娜，论文通讯作者为东华大学纺织学院张坤教授。

据张坤介绍，要想制备可穿戴热电器件，就必须用到热电技术。该技术本身有两个功能，一个是温差发电，另一个是制冷。

前者主要通过皮肤和环境的温差进行发电，后者利用帕尔贴效应，能把人体表面多余的热量转移并释放到外界。

目前，用柔性材料组装成热电器件，再把它应用于人体，是热电材料领域最为热门的研究方向之一。

在以往研究与应用中，柔性器件只能弯曲、不具有舒适性和透气性等性能的缺点制约着其应用。为了克服该难题，张坤及团队选用织物作为制备可穿戴热电器件的材料。

那么，选用织物究竟有哪些好处呢？

首先，人体不同部位的曲面不同，在运动过程中，其每个部位的曲率都在发生变化。而织物这种材料，可以通过纱线和纱线的相互位移，来很好地适应人体曲率的变化，进一步增强穿着的舒适性。

其次，与塑料、薄膜等材料相比，织物拥有良好的透气性。张坤表示：“我们想把柔性热电技术与织物结合到一起，这也是我们做热电织物方向的初衷。”

热电器件由 p 型和 n 型两种半导体材料组成，要想将其做成纱线，必须让 p 型和 n 型同时在一根纤维上实现交替的周期性电串联，但这并不容易。

图丨交替湿法纺丝过程示意图（来源：ACS Applied Materials & Interfaces）

为了实现这项技术，早在 2019 年，张坤及团队就开始了相关研究，并尝试了许多方法，最终决定通过交替喷丝的方法。

他们使用湿法纺丝工艺，连续大量制备出基于单壁碳纳米管的、具有较高热电性能的 p-n 分段式热电纱线。

这种纱线导电性很高，处于 400-800Scm−1 的范围，节段和电极间的低接触电阻率为 189.8μΩcm2。

（来源：ACS Applied Materials & Interfaces）

张坤进一步解释说：“这项工作主要从技术层面出发，我们利用所开发的纺丝工艺，结合现有的材料，让它能够连续地制备热电纤维，最终编织成热电织物。”

据介绍，该课题的关键难点主要有两个。

第一，纺丝液的制备。由于碳纳米管的分散性较差，在纺丝时无法形成均一的分散液，这会导致喷出的聚合物无法成纤，同时力学和电学性能也比较差。

第二，P 型和 N 型交替结构的实现。对于碳纳米管来说，P 型和 N 型交替纺丝需要借助不同的掺杂剂。掺杂剂在喷丝的过程中容易相互渗透，导致 P 型变成 N 型、N 型变成 P 型。

为了解决上述两个问题，研究人员先是开展大量工作去制备纺丝液，后调整不同掺杂剂的浓度，再加入表面活性剂，最终很好地实现了 P 型和 N 型的交替结构，并确保两者的热电性能不会发生混淆。

图丨三维热电织物示意图（来源：ACS Applied Materials & Interfaces）

对于研究热电纤维和热电织物等方向的科研人员，该成果可以提供一种良好的思路。让他们利用这种交替的湿法纺丝工艺，制备性能良好的热电纱线。于此同时，也将有助于可穿戴电源和物联网传感器等多项应用的发展。

据介绍，开展热电纤维方面的研究，不仅要懂得纺织工艺，还需要具备半导体物理方面的基础知识，但这对纺织学院出身的学生而言，具有很大的挑战性。

该论文的第一作者杨晓娜，起初只具有与纺织相关的加工工艺知识，为了完成最终成果，过程中她付出了巨大努力，解决了诸多难题。

同时，张坤也表示，其课题组的愿景是做出可以产业化的应用型技术，而非只是发表论文。谈到这项研究的后续计划，张坤表示，他和团队还将会基于干法纺丝工艺，制备具有较高性能的柔性热电纤维。