《中国科学院工程热物理研究所在单晶热电纤维研究方面取得新进展》

  • 来源专题:中国科学院文献情报先进能源知识资源中心 |领域情报网
  • 编译者: guokm
  • 发布时间:2020-08-03
  • 单晶材料由于其优越的机械稳定性、低光学损耗和优良的导电性能,在高性能光学和半导体工业中应用广泛。譬如具有优良热电性能的SnSe单晶材料,能够实现热能与电能的相互转化,在温差发电和热电制冷领域有着巨大的应用前景。然而传统的单晶生长方法由于生长速度慢、制造条件严格、加工成本高等因素,限制了单晶SnSe材料的大规模产业化应用。

      为此,工程热物理研究所储能研发中心联合新加坡南洋理工大学、美国康奈尔大学和北京航空航天大学等研究团队报道了一种新型的基于纤维热拉法和激光重结晶效应的单晶SnSe热电纤维制造技术,突破了高品质单晶柔性热电纤维的制备困难,实现了纤维单晶材料的大规模生长,为研发复杂而高效的热电单晶纤维及其织物提供了新思路。研究人员称未来柔性可穿戴热电纤维与织物可以方便地从体热中收集能量,利用人体与外界环境的温度差为小功率可穿戴电子设备供电;也可以用来热电制冷控温,维护人体温度的舒适性。

      整个联合团队通过紧密合作,展示了一种通用可行的基于激光热效应的再结晶方法,可制造从微米到纳米尺度直径的超长SnSe单晶纤维。实验证明了SnSe单晶体,除常见的Pnma和Cmcm相外,还存在稳定的单晶岩盐Fm-3m相。在862 K时, Fm-3m相的单晶SnSe纤维的ZT值高达2,远大于多晶SnSe纤维的ZT值,与Cmcm相的单晶SnSe相当。并且首次制备了具有高密度p型和n型SnSe微/纳米线阵列的单根热电纤维,实现了纤维内柔性热电器件的PN结构。为大面积、轻质、透气、高性能的柔性可穿戴热电织物器件提供了新途径,展示了单晶热电纤维织物利用人体与环境的温差持续发电的概念性演示。

      该研究受到了中国科学院人才计划(No. E0290706)和国家自然科学基金“能源有序转化”基础科学中心项目(No.51888103)的支持,相关成果近日发表于国际顶级材料类学术期刊Advanced Materials (影响因子27.398),并被选为Frontispiece。(文章题目:Single-Crystal SnSe Thermoelectric Fibers via Laser-Induced Directional Crystallization: From 1D Fibers to Multidimensional Fabrics. Adv. Mater. 2020, 2002702.)。文章链接:https://doi.org/10.1002/adma.202002702 。

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    • 编译者:guokm
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    • 近日,中国科学院工程热物理研究所先进燃气轮机实验室团队在压气机机匣处理优化设计技术方面取得新进展。航空发动机的推重比与效率导致了其压气机级负荷的不断提升。在压气机内部复杂非定常流动的作用下,较高的负荷会加剧流动不稳定性,轻则导致发动机特性的急剧恶化,重则造成发动机熄火或者致使叶片断裂,从而造成整台发动机损毁。因此,拓宽压气机的稳定裕度,避免流动不稳定现象的发生具有重大意义。   该研究团队长期致力于航空发动机/燃气轮机压气机的气动稳定性和效率问题研究。在前期研究基础上,研究人员搭建了基于遗传算法和Kriging代理模型的压气机机匣处理优化平台,以未来民航机高效高升力系统内的斜流压气机部分转速下的效率与裕度为优化目标,展开了轴向缝机匣处理多目标优化设计工作。   优化得到的轴向缝机匣处理设计在保证效率不降低的前提下,可将该压气机在部分转速下的稳定裕度显著提升20%。图3所示的流线图说明轴向缝机匣处理能够在动叶顶部区域施加一股流动循环,其中向下游倾斜的轴向缝设计抽气量较大,抽吸作用较为明显,扩稳效果较好,向上游倾斜的设计则主要通过喷射作用抑制动叶前缘处叶顶泄漏流的溢出,扩宽压气机稳定运行范围。   本项研究工作得到国家自然科学基金与国家科技重大专项资助,相关论文以Design Optimization of Axial Slot Casing Treatment in a Highly-Loaded Mixed-Flow Compressor为题发表在Aerospace Science and Technology上。
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    • 编译者:熊萍
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    • 近日,中国科学院海洋研究所实验海藻化学与海洋药物研究团队在天然多糖功能材料研究方面取得新进展。团队成功从羽藻目绿藻强壮硬毛藻?Chaetomorpha valida?中提取出一种结构独特、富含阿拉伯糖的硫酸化杂多糖(CVP),该多糖可溶于水形成具备自修复与热响应特性的天然水凝胶(CVG)。该材料性能可调、来源天然,兼具良好的生物相容性和加工适应性,在食品、生物医药和化妆品等多个领域展现出广泛应用潜力。相关研究成果以“A sulfated arabinose-rich polysaccharide hydrogel from Chaetomorpha valida: preparation,properties and mechanisms”为题,发表于国际生物高分子材料期刊?International Journal of Biological Macromolecules。 CVP是首个发现的具有凝胶形成能力的富含阿拉伯糖的硫酸化多糖。该多糖具有“三重智能”凝胶行为。CVP水溶液在无需外加交联剂的条件下,仅凭分子间氢键和物理缠结作用,即可在室温下自组装形成稳定三维网络结构,形成自支撑水凝胶(CVG),展现出良好的热响应性和自修复能力。流变学表征,CVG经历高速剪切破坏后,能在10秒内迅速重组分子网络,恢复90%左右的储能模量,显示出优异的自愈性能。同时,细胞实验验证了其良好的生物相容性,为其在医疗与组织工程领域的应用奠定了生物安全基础。 为进一步提升水凝胶的机械强度与热稳定性以适应复杂应用场景,研究团队引入硼酸盐交联策略,成功制备出增强型水凝胶(CVBG)。通过调控硼酸盐浓度,材料的结构致密性、热稳定性及力学强度均实现显著提升。结构机制研究表明,CVG的稳定性主要来源于多糖链之间的氢键及潜在的三重螺旋结构协同作用;而在CVBG体系中,硼酸盐与多糖羟基间形成的B–O共价键是实现网络增强的关键。 该项研究不仅丰富了天然多糖水凝胶的结构与功能体系,也为其在多个领域的实际应用奠定了基础。未来,该材料有望广泛应用于食品添加剂、3D生物打印墨水、可注射组织工程支架、智能伤口敷料、化妆品保湿载体等方向。 本论文由中国科学院海洋研究所博士研究生冷月洋为第一作者,王晶研究员与张全斌研究员为共同通讯作者。研究得到了国家自然科学基金与山东省重点研发计划等项目支持。 相关论文: Yueyang Leng,Jing Wang*, Ning Wu, Yang Yue, Lihua Geng, Quanbin Zhang*. A novel sulfated arabinose-rich polysaccharide hydrogel from Chaetomorpha valida: preparation, properties and mechanisms. International Journal of Biological Macromolecules, 2025, 317: 144872. 原文链接: https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2025.144872