在物联网、极限运动、野外生存及单兵装备等领域，多数可穿戴电子设备易受电池容量和供电持续性的影响。近年来，无运动部件，无噪声，电路简单且连续供应能量的柔性热电织物逐渐成为领域内研究重点。但相关研究仍处于初级探索阶段，现有的热电织物输出电功率较低，可穿着性差，抗形变性能差，且织物组织结构等对热电输出性能的影响研究尚属领域空白。
近期，东华大学纺织学院张坤研究员“智能可穿戴纺织品”团队在柔性可穿着热电织物方面取得突破，研究成果“Carbon nanotube yarn based thermoelectric textiles for harvesting thermal Energy and powering electronics”在英国皇家化学会（RSC）杂志《Journal of Materials Chemistry A》发表，并被选为内封面论文。课题组博士生郑园园为第一作者，张坤研究员为第一通讯作者，中国科学院北京化学研究所狄重安研究员为联合通讯作者。
本课题将传统纺织与热电技术有机结合制备热电织物，利用人体-环境间温差实现可穿戴电子设备的自主供电，同时兼具穿着舒适性。借助多物理场有限元模拟，解析了织物组织结构对温度场和电势场耦合效应的影响，为后续开发高性能热电织物提供理论支撑和技术支持。
该课题首先提出了批量制备分段式热电纱线的方法（图1），利用浸渍涂覆法连续制备了数十米碳纳米管纱线基分段式热电纱线，该方法简单易行，可批量化制备且样品热电性能好。
图1 分段式热电纱线制备过程示意图
不同织物结构对热电器件的热输运性能影响很大，本课题利用ANSYS有限元模拟软件首次初步探索了织物结构对热电织物热电功率的影响规律（图2）。
图2 织物结构对热电织物热电功率的影响
本课题选用间隔织物为基底制备热电织物，p型和n型热电臂在织物厚度方向交替排列。在温差为47.5K时，TET的输出电压为3.7 V，电流为0.4 mA，输出功率为51.5 mW/m2，成功为电子手表、计步器、体温计、温湿度计及紫外线仪直接持续供电，也可为智能手环等直接充电（图3）。同时，热电织物在极端低温下（如液氮温度）可稳定使用，而一般电池已失效。在千次三维形变（拉伸、弯曲、压缩、扭曲）后，电功率保持80%以上。制备包芯热电纱线后其耐磨性及可织造性得到了大大提高，可采用德国Stoll电脑横机织成间隔热电织物。
图3 热电织物及其热电输出性能和应用展示
该项研究工作同时得到了来自东华大学纺织学院、上海硅酸盐研究所及华东师范大学等相关课题组的支持和帮助。相关研究成果得到了国家自然科学基金、中科协“青年人才托举工程”、 中央高校基本科研业务费等项目的资助。
来源：高分子科学前沿
