一种柔性可穿戴热电发电和调温器件及其制备方法与流程

本发明涉及可穿戴设备，尤其涉及一种柔性可穿戴热电发电和调温器件及其制备方法。

背景技术：

1、热电材料是一种主要利用温差发电（seebeck效应）和通电致冷（peltier效应）原理实现电能与温差之间相互转化的功能半导体材料，不仅能利用环境和人体产生的废热进行能源转换，同时也能减少空间调温技术（空调等）所产生的能源消耗，有效解决能源浪费等问题。

2、人们对穿着的追求更高了，想获得一种可以根据环境温度进行身体体表温度的调节，使得身体始终处于一个舒适的温度。现有研究者通过将热电材料用于穿戴设备中，从而满足人们现在对穿着的需求。但是发现，现有技术中获得的可穿戴的热电器存在一些弊端，第一存在柔韧性较差的情况；第二是散热性较差，一方面导致热端和冷端之间温差稳定性差，另一方面也会造成热电器冷端温度太高，舒适度下降，这些都制约着热电器在可穿戴领域的发展。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本发明提供了一种柔性可穿戴热电发电和调温器件及其制备方法，本发明获得的热电器具有较好的柔韧性，且具有稳定的温差，使得穿戴热电器的消费者具有舒适的温度。

2、本发明提供了一种柔性可穿戴热电发电和调温器件，所述器件包括依次设置的第一柔性导热层、金属泡沫层、第二柔性导热层、柔性隔热层、第三柔性导热层；

3、所述金属泡沫层中有多个贯穿金属泡沫层的空腔；第一柔性导热层和第二柔性导热层使得空腔形成密闭空腔，所述密闭空腔中放置相变材料；

4、所述柔性隔热层中设置有多个热电柱；

5、所述柔性隔热层上下表面均还设置有多个电极材料，所述热电柱的一端通过柔性隔热层上表面的电极材料连接；所述热电柱的另一端通过柔性隔热层下表面的电极材料连接，所述柔性隔热层靠近第二柔性导热层的一面为柔性隔热层上表面。

6、进一步的，所述密闭空腔在金属泡沫层中呈3×3的阵列分布。

7、进一步的，所述相变材料包括相变温度为26℃-32℃的相变材料，相变温度为38℃-41℃的相变材料，相变温度为48℃-50℃的相变材料。

8、进一步的，所述相变温度为26℃-32℃的相变材料包括聚乙二醇800。

9、进一步的，所述相变温度为38℃-41℃的相变材料包括聚乙二醇1500。

10、进一步的，所述相变温度为48℃-50℃的相变材料包括聚乙二醇2000。

11、进一步的，所述相变材料在金属泡沫层中的排列方式具体为：

12、步骤一、选择相变温度为26℃-32℃的相变材料、相变温度为38℃-41℃的相变材料、相变温度为48℃-50℃的相变材料中的一种相变材料放置于第一排第一个密闭空腔内、第二排第二个密闭空腔内、第三排第三个的密闭空腔内；

13、步骤二、在剩下两种相变材料中选择一种相变材料放置于第一排第二个密闭空腔内、第二排第三个密闭空腔内、第三排第一个的密闭空腔内；

14、步骤三、剩下三个密闭空腔用于放置步骤一和步骤二中未被选择的相变材料。

15、进一步的，所述相变材料在金属泡沫层中的排列方式具体为：

16、步骤一、选择聚乙二醇800、聚乙二醇1000、聚乙二醇2000中的一种相变材料放置于第一排第一个密闭空腔内、第二排第二个密闭空腔内、第三排第三个的密闭空腔内；

17、步骤二、在剩下两种相变材料中选择一种相变材料放置于第一排第二个密闭空腔内、第二排第三个密闭空腔内、第三排第一个的密闭空腔内；

18、步骤三、剩下三个密闭空腔用于放置步骤一和步骤二未被选择的相变材料。

19、进一步的，所述金属泡沫层由柔性导热材料填充在金属泡沫中形成。

20、进一步的，所述金属泡沫的孔隙率为94%-98%，空隙密度为75ppi-115ppi。

21、进一步的，所述金属泡沫的孔隙率为94%-96%，空隙密度为105ppi-115ppi。

22、进一步的，所述第一柔性导热层的厚度为0.8mm-1.2mm。

23、进一步的，所述金属泡沫层的厚度为1.8mm-2.2mm。

24、进一步的，所述第二柔性导热层的厚度为0.4mm-0.6mm。

25、进一步的，所述柔性隔热层的厚度为1.8mm-2.2mm。

26、进一步的，所述第三柔性导热层的厚度为0.4mm-0.6mm。

27、进一步的，相邻的密闭空腔之间的距离为1.8mm-2.2mm。

28、进一步的，一个密闭空腔的面积与金属泡沫层的面积比为1:16。

29、在本发明中，密闭空腔的面积指的是热电器的第三柔性导热层放置在水平面时，密闭空腔在水平面形成的面积大小，即密闭空腔在金属泡沫层表面形成的面积大小。金属泡沫层的面积指的时金属泡沫层的表面积。

30、进一步的，所述热电柱由多个n型半导体和多个p型半导体组成，多个n型半导体和多个p型半导体呈10×10的阵列排列，n型半导体和p型半导体在10×10的阵列中交错依次排列。

31、进一步的，所述柔性导热材料包括柔性基底材料、绝缘导热材料，以质量计，所述柔性基底材料和绝缘导热材料的比为5:2。

32、进一步的，所述第一柔性导热层的原材料包括柔性基底材料、绝缘导热材料，以质量计，所述柔性基底材料和绝缘导热材料的比为5:2。

33、进一步的，所述第二柔性导热层的原材料包括柔性基底材料、绝缘导热材料，以质量计，所述柔性基底材料和绝缘导热材料的比为5:2。

34、进一步的，所述第三柔性导热层的原材料包括柔性基底材料、绝缘导热材料，以质量计，所述柔性基底材料和绝缘导热材料的比为5:2。

35、进一步的，所述柔性隔热层的原材料包括隔热材料、柔性基底材料，以质量计，所述柔性基底材料与隔热材料的比为5:1。

36、进一步的，所述柔性基底材料包括硅橡胶、环氧树脂、硅油、ecoflex、聚二甲基硅氧烷中的一种或多种。

37、进一步的，所述绝缘导热材料包括氧化铝、氮化铝、氮化硼、氮化硅、氧化锌、氧化镁中的一种或多种。

38、进一步的，所述隔热材料包括玻璃微珠。

39、进一步的，所述电极材料的原材料包括液态金属、无水乙醇，以质量计，所述液态金属与无水乙醇的比为2:5。

40、进一步的，所述液态金属包括镓，镓铟合金，镓铟锡合金中的一种或多种。

41、进一步的，所述p型半导体为bi0.5sb1.5te3。

42、进一步的，所述n型半导体为bi2sb0.3te2.7。

43、本发明还提供了所述器件的制备方法，所述制备方法包括：

44、步骤s1：制备柔性隔热层；

45、步骤s2：在所述柔性隔热层的上下表面喷涂电极材料；

46、步骤s3：在柔性隔热层上表面制备第二柔性隔热层，在柔性隔热层下表面制备第三柔性隔热层；

47、步骤s4：在所述第二柔性隔热层上表面制备金属泡沫层；

48、步骤s5：制备第一柔性隔热层，利用第一柔性隔热层对金属泡沫层上表面封装固定。

49、本发明还提供了所述器件在穿戴设备中的应用。

50、本发明实施例具有以下技术效果：

51、1.本发明获得热电器具有较好的柔韧性的基础上，还具有稳定的温差，使得热电器穿戴于消费者身上具有较好的舒适感。

52、2.本发明中为了提升热电器的柔韧性，首先是将金属泡沫层中设置多个密闭空腔，密闭空腔第一用于放置相变材料，第二，多个密闭空腔均匀的分布在金属泡沫层中不仅能提升金属泡沫层的柔韧性，还可以提升热电器的柔韧性，第三，若密闭空腔设置于第一柔性层中，则会造成散热效果差，造成热电器过热，进而造成第三柔性导热层温度过高，消费者舒适感差，而密闭空腔置于金属泡沫层中不仅有利于相变材料能快速吸收热量储热，还可以促进多余的热快速散出，从而有利于降低第三柔性导热层端的温度，提升消费者舒适度。在此基础上，本案为了在具有较高的传热效果的基础上，进一步提升金属泡沫层的柔韧性，选择孔隙率为94%-98%，空隙密度为75ppi-115ppi的金属泡沫；此外，在金属泡沫中还填充了柔性导热材料，不仅提升了金属泡沫层与第二柔性导热层和第一柔性导热层之间的连接强度，而且还可以有利于密闭空腔的形成，使得热电器在佩戴时，不会因为形变造成热电器的破损，造成相变材料的流出。在提升热电材料的导热率的同时，还考虑了对热量的充分储存，只有将足够的热量储存的基础上，将多余的热量快速散出，这样才能实现第一柔性导热层和第三柔性导热层之间能形成稳定的温差。为此，在密闭空腔内进一步对相变材料的排列和选择进行了设计，通过本发明中相变材料的排列，使得相变过程中相变温度的均匀传递，避免了热电器局部过热，最终造成热电器储热和散热失衡，不仅造成温差稳定性下降，还会造成第三柔性导热层温度过高，消费者舒适感差；还进一步的选择了多种相变材料，缓解了整个热电器的相变速率，从而实现稳定的储热性能，更容易控制第一柔性导热层和第三柔性导热层之间的温差；并且还可以使得本发明的热电器可以应用于不同的工作场景。

53、3.本发明热电器充分发挥了储热和导热的协同导热储热作业，可有效的维持热电器件冷热两面的温差，提升调温和发电效果，最终热电器可实现发电和制冷。