熱電材料將熱量轉(zhuǎn)化為電能，反之亦然。然而，它們?cè)谑占瘡U熱中的應(yīng)用受到制造和材料挑戰(zhàn)的限制。尋找具有成本效益的方法來(lái)覆蓋較大且可能復(fù)雜的表面仍然是一個(gè)問(wèn)題，但對(duì)于利用余熱源而言至關(guān)重要。

勞倫斯·利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(LLNL)的材料科學(xué)家已經(jīng)使用了一種稱為冷噴涂沉積的增材制造技術(shù)來(lái)制造熱電發(fā)生器，該熱電發(fā)生器可以從以前難以獲得的來(lái)源(例如具有復(fù)雜幾何形狀的管道)中收集廢熱。發(fā)電機(jī)在很寬的溫度范圍內(nèi)都顯示出良好的性能。

余熱是巨大的未開(kāi)發(fā)資源。美國(guó)工業(yè)每年因廢熱而損失的能量達(dá)到13萬(wàn)億BTU。BTU(英制熱量單位)是能量的計(jì)量單位。3,600 BTU相當(dāng)于大約1千瓦時(shí)。

但是，只有三分之四的BTU可以通過(guò)過(guò)程共置，鍋爐的能量回收和熱電回收來(lái)回收并投入使用。收集能量的一個(gè)挑戰(zhàn)是設(shè)計(jì)一種能夠有效收集熱量的發(fā)電機(jī)。為了使熱電材料有效，必須將溫度梯度轉(zhuǎn)換為電壓。它還需要高電導(dǎo)率，但低熱導(dǎo)率。

在發(fā)表在《礦物，金屬與材料學(xué)會(huì)雜志》(JOM)上的這項(xiàng)新研究中，研究小組在不銹鋼，硅酸鋁和石英等基材上冷噴涂了碲化鉍粉末。噴涂的材料具有隨機(jī)取向的微觀結(jié)構(gòu)，基本上沒(méi)有孔，并且無(wú)需大量的成分變化即可實(shí)現(xiàn)冷噴涂沉積。

LLNL材料物理學(xué)家Alex Baker說(shuō)：“這些結(jié)果證明了冷噴涂增材制造的強(qiáng)大功能和多功能性，并提供了制造復(fù)雜幾何形狀的熱電發(fā)電機(jī)的途徑，而傳統(tǒng)方法無(wú)法制造這種復(fù)雜的發(fā)電機(jī)。”

涂層的冷噴涂沉積在整個(gè)行業(yè)中廣泛用于耐腐蝕覆層，表面功能化和局部修復(fù)。在這種技術(shù)中，微米級(jí)金屬顆粒被夾帶在超聲氣體中并被引導(dǎo)到金屬表面上。撞擊時(shí)，顆粒發(fā)生塑性變形并與表面或彼此粘合。

冷噴涂通常僅限于可延展材料，使其非常適合于結(jié)構(gòu)元件和合金，但不適用于通常易碎的功能材料。LLNL與工業(yè)合作伙伴T(mén)TEC熱電技術(shù)公司合作，努力擴(kuò)大可冷噴涂的材料范圍，這是能源部資助的技術(shù)商業(yè)化資金(TCF)計(jì)劃的一部分。

貝克說(shuō)：“冷噴涂在相對(duì)較低的溫度下工作，低于大多數(shù)功能材料的熔點(diǎn)，因此考慮采用增材制造技術(shù)來(lái)保留定制的驅(qū)動(dòng)功能特性的微結(jié)構(gòu)是很有吸引力的。”

熱電發(fā)電機(jī)(TEG)沒(méi)有活動(dòng)部件，不基于化學(xué)反應(yīng)，并且使用壽命長(zhǎng)，并且沒(méi)有維護(hù)要求，因此非常適合作為偏遠(yuǎn)或無(wú)法到達(dá)位置的電源的候選人。迄今為止，采用TEG收集廢熱受到了限制，部分原因是難以制造與散熱片緊密接觸或從傳輸管輻射的零件。

研究小組得出結(jié)論，冷噴涂沉積可以在各種基板上制造大塊熱電碲化鉍，而不會(huì)損失結(jié)構(gòu)完整性，這表明冷噴涂是傳統(tǒng)的熱電材料制造方法的可行替代品。

TCF首席研究員哈里·拉杜斯基(Harry Radousky)說(shuō)：“我們的目標(biāo)之一是將這項(xiàng)技術(shù)引入LLNL，可以在廣泛的增材制造領(lǐng)域中應(yīng)用。”