热电发电依赖塞贝克效应把温差直接转化为电能，在工业余热、深空电源与高温传感等场景不可替代。La₃₋ₓTe₄ 因优异的高温热电性能受到关注，但其常规制备路径冗长：预合金粉体经热压（HP）或放电等离子烧结（SPS）在 900–1200℃、40–80 MPa 条件下致密化，所得锭体再切割成单个热电腿，随后与电极装配成对。切割造成材料损耗，装配引入额外界面，二者共同抬高了单位功率的成本。
更棘手的是热电体与金属电极的界面，它既是电学通路也是力学薄弱点。两者热膨胀系数不匹配，在反复升降温中界面处产生显著热应力，裂纹往往沿界面萌生并扩展，导致接触电阻上升、器件失效。常规方案通过增加阻挡层或降低工作温度来缓解，但都会牺牲性能或应用范围。
研究以预合金粉体配制可挤出墨水，经直写成形后依次脱脂与高温烧结。预合金路线的好处在于成分均匀性由粉体制备阶段锁定，避免了元素粉末混合时的偏析；代价是粉体硬度高、烧结活性低，对墨水配方与烧结制度的要求更严格。
研究比较了 LaTe₁.₄₅ 与 LaTe₁.₄₇ 两种成分。烧结后的体积收缩率分别为 38.6% 与 39.6%，量级接近，但 LaTe₁.₄₇ 的粉体烧结行为更好，最终获得更高的相对密度与相纯度。这一差异说明化学计量比不仅影响热电性能，也直接影响致密化动力学——碲含量的微小变化会改变晶界处的液相或缺陷状态。
图1｜墨水挤出成形的微观结构（对应原文 Fig. 1）
图2｜挤出成形 La₃₋ₓTe₄ 的成分与物相（对应原文 Fig. 2）
烧结样品的无量纲热电优值在 1250 K 达到 zT = 1.49 ± 0.24，与通过传统热压制备的 LaTe₁.₄₆ 标杆材料相当。这一结果的意义在于，增材路线并未以性能为代价换取成形自由——热电性能的三大参数（塞贝克系数、电导率、热导率）在打印样品上没有出现系统性劣化。
需要注意的是误差范围。±0.24 的离散度反映高温测量的固有难度，也提示工艺一致性仍有改进空间。对器件应用而言，单腿性能的离散会直接转化为串联模块的输出损失，因此批次一致性是该路线走向规模化前必须解决的问题。
图3｜挤出成形热电材料的热电性能（对应原文 Fig. 3）
研究的第二个创新在于界面结构。常规做法是在热电体与电极之间插入扩散阻挡层，以抑制元素互扩散，但阻挡层本身又引入新的界面与热阻。此处改用几何互锁：通过打印在热电腿端部构造非平面轮廓，镍电极经扩散连接后与凹凸结构形成机械咬合。
这种设计把"抑制互扩散"与"保证结合强度"两件事分开处理——结合强度由几何咬合提供，互扩散则通过控制连接温度与时间压到最低。EDS 结果显示界面处元素分布陡峭，说明化学反应层很薄，而机械咬合区域连续完整。
界面可靠性的关键在于服役过程中的应力演化。研究先测量致密 La₃₋ₓTe₄ 的蠕变行为，得到应变速率与应力的幂律关系，再将蠕变参数代入有限元模型，模拟均匀降温与热端升温两种工况下互锁界面处的热应力分布。
结果显示，蠕变在应力松弛中起决定性作用。若将材料视为纯弹性体，界面处会积累远超屈服强度的热应力；而引入蠕变后，应力随时间显著衰减，两相的应力状态都被"软化"。这意味着在高温服役条件下，材料自身的黏塑性变形反而成为保护界面的机制——前提是蠕变速率处于合适区间：过快会导致腿体尺寸失稳，过慢则无法有效松弛。
图4｜墨水打印的互锁界面与元素扩散（对应原文 Fig. 4）
传统链条的成本结构由三个环节决定：致密化、切割与装配。热压与放电等离子烧结需要石墨模具与高压设备，单次装料量有限；锭体切割产生锯屑损耗，碲作为稀散元素价格不低，材料浪费直接转化为成本；装配环节需要在每条腿两端焊接电极，接触电阻与热阻随界面数量增加。
挤出打印把前两个环节合并为一步成形：腿体按最终几何直接沉积，无需切割；几何自由度还允许在单条腿内设计变截面，以匹配沿程温差分布。但代价转移到后处理——脱脂与烧结必须在不破坏几何的前提下完成近 40% 的体积收缩，这一约束对炉温均匀性与升温速率提出较高要求。
从能量与时间维度看，两条路线各有优势：传统路径的单件周期短但准备工序多，打印路径的准备工序少但烧结周期长。对多品种、小批量的高温热电应用（如传感器供电、航天电源），打印的柔性优势更明显；对单一规格的大规模生产，成本比较则取决于烧结炉的装载率。
完整流程为：配制墨水→挤出打印热电腿→脱脂去除有机组分→高温烧结致密化→与镍电极扩散连接。相比传统路径，省去了锭体切割与腿体装配两道工序，材料利用率与几何自由度同步提升。研究给出的打印与烧结流程示意，清楚呈现了各阶段的形貌变化与收缩行为。
对设备开发而言，该路线有两点值得注意，且都直接指向浆料配方与运动控制的耦合。其一是收缩补偿：脱脂与烧结阶段近 40% 的体积收缩是各向同性的前提假设，若打印件存在密度梯度，收缩将不均匀，导致腿体弯曲或开裂，因此坯体的密度一致性比尺寸精度更关键。其二是界面成形的自由度：互锁轮廓由打印路径直接定义，这要求设备在 Z 向具备较高的轮廓分辨能力，且能在同一构件内切换不同材料（热电体与电极），对多料筒或换料系统提出要求。
需要指出的是，该路线目前仍受制于预合金粉体的批次一致性。粉体的氧含量、粒径分布与碲的挥发损失都会改变烧结行为，进而影响 zT 的重复性；±0.24 的离散度正是这一问题的直接体现。若要在工业场景中稳定输出，粉体端的质量控制与打印端的密度一致性需同步建立。
图5｜热电腿的蠕变性能与应力松弛（对应原文 Fig. 5）
图6｜均匀冷却过程中的热应力分布（对应原文 Fig. 6）
图7｜热端升温过程中的热应力分布（对应原文 Fig. 7）
图8｜墨水打印与烧结全流程（对应原文 Fig. 8）
热电性能的评价还须区分材料本征值与器件输出。实验室多以 zT 表征材料潜力，但器件效率受接触电阻、热旁路与几何失配影响，实际转换效率往往低于由 zT 推算的理想值。对挤出成形的热电腿而言，腿体密度不均会形成局部热阻与电流拥挤，接触界面的微裂纹则在热循环中逐步扩展。因此性能标定应同时给出材料 zT、单腿内阻与模块级输出，三者共同构成工艺是否可用的判据。
该研究以预合金粉体墨水挤出打印 LaTe₁.₄₇ 热电腿，经脱脂与高温烧结获得高致密度、高相纯度样品，1250 K 时 zT 达 1.49，与传统热压标杆相当；并借打印构造非平面互锁界面实现与镍电极的扩散连接，结合蠕变测量与有限元模拟阐明热应力经黏塑性松弛的机制，为低成本、可规模化的高温热电器件制造提供了完整工艺路径。
铂邦科技是 DIW 浆料直写 3D 打印设备厂家，设备软硬件全栈自研，内置诸多工程算法，可快速构建网格、晶格、二十四面体等平面与三维结构；算法一键生成点阵打印代码，并支持手绘建模，无需 CAD 工程背景。全栈工程师团队，支持你提想法、我们开发算法加硬件。
此外，我们也提供从料筒、针头到挤出模块的全链条通用配件，兼容不同品牌的主流 DIW 设备（不区分设备品牌），并支持整机定制开发与设备升级。
📌 持续跟踪 DIW 前沿？关注「铂邦科技」公众号，获取本文完整配图版、更多文献解读与原创工艺手记。查看全部技术前沿 →
扫码关注，第一时间获取 DIW / DLP / 静电纺丝 3D 打印技术前沿、顶刊解读与设备资讯
微信扫一扫，或长按识别二维码关注
正在加载推荐文章……