采集人体体温发电|全 3D 打印可拉伸热电器件赋能穿戴自供电

文章摘要

可穿戴自供能系统亟需兼具高拉伸性与可规模化制备的柔性热电器件。通过传统工艺制备的 PEDOT:PSS 热电材料拉伸性能不足，多层器件集成难度大。本文调配了一种具备优异粘弹性的 PEDOT:PSS/TPU 复合墨水，实现全 3D 直写打印一体化的可拉伸热电器件，完成 PDMS 基底、银电极、热电层、封装层多种材料同步成型。器件可以耐受 50% 以上拉伸形变，机械循环后输出性能衰减很小；利用人体体表温差采集热能，可驱动 LED、血氧心率等传感器，为可穿戴自供电设备提供了可行方案。器件制备采用上海幂方电子科技DB‑100 直写 3D 打印机，通过气动挤出直写完成多材料墨水图案化逐层打印。

文章亮点

✨创新与核心数据

1. 多墨水全 3D 一体化制造：开发适配直写打印的 PEDOT:PSS/TPU 热电复合墨水，结合银导电墨水、PDMS 弹性墨水，一步完成基底‑电极‑热电层‑封装层整套器件，规避传统分步复合带来界面脱层问题。

2. 弹性高分子改性提升拉伸性能：引入 TPU 弹性体改性 PEDOT:PSS，在保留热电性能的同时显著提升拉伸能力，PDMS 封装进一步实现应力分散，适配人体运动带来的形变。

3. 人体热能实际演示：器件贴附皮肤，依靠人体与环境温差，在肢体动态运动下持续驱动低功耗电子元器件。

4. 关键性能指标：40 K 温差条件下，开路电压3.18 mV，功率密度6.78 nW cm⁻²；可承受>50%拉伸应变；经过 2000 次拉伸循环，输出性能保持90% 以上；2000 次弯折循环器件电阻变化小于 7%。

图文导读

图 1 器件整体方案：展示可穿戴应用场景；三层堆叠器件结构；全 3D 直写完整工艺流程，依次打印基底、银电极、热电臂、封装层。

图 2 墨水配方与流变‑力学优化：探究不同 TPU 添加量对电导率、泽贝克系数、力学拉伸性能的影响；墨水流变测试验证剪切变稀打印特性，确定最优 20 wt% TPU 墨水配方。

图 3 多材料打印工艺窗口：系统研究喷嘴直径、打印气压、打印速度对三种墨水成型的影响，绘制可打印相图；展示不同参数下打印线条实物，确立稳定成型工艺区间。

图 4 热电器件综合性能：不同温差下输出电压、功率密度；对比手工涂覆与全 3D 打印器件的拉伸耐受性；拉伸、弯折循环后的电学稳定性测试结果。

图 5 可穿戴实测演示：红外热成像采集皮肤温差；静坐、行走、运动状态下输出信号；实物展示利用人体热实现点亮 LED，驱动心率血氧传感器。

结语

该工作通过墨水配方优化与全 3D 直写打印，实现 PEDOT:PSS 基可拉伸热电器件一体化制造。多材料同步打印解决多层器件界面结合难题，改性复合墨水兼顾热电输出与高拉伸力学稳定性。器件在大形变、多次循环后维持稳定发电，并且成功利用人体体表热能驱动低功耗穿戴器件。该方案为柔性可穿戴热电器件的数字化、可定制化加工提供新思路，推动自供电皮肤电子、健康监测装备发展。

📝文章信息

标题：All‑3D‑Printed PEDOT‑PSS‑Based Stretchable Thermoelectric Devices for Power Generation

期刊：ACS Applied Materials & Interfaces（缩写 ACS Appl. Mater. Interfaces）

发表时间：2025

DOI：10.1021/acsami.5c03781