Thermoelectric Behavior of Copper-Nickel Polyethylene Terephthalate Fabric
Loading...
Date
2025-07-31
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Abstract
Textilní termoelektrické materiály získávají stále větší význam pro svoje možné aplikace v oblasti nositelné elektroniky, díky své flexibilitě, prodyšnosti a schopnosti generovat elektrickou energii z tepelné energie. Přesto zůstává dosažení vysoké termoelektrické výkonnosti spolu s mechanickou odolností a stabilitou klíčovou výzvou. V této práci byly použity polyesterové netkané textilie úspěšně potažené niklem (Ni) a mědí (Cu) (Ni@Cu-coated fabrics) pomocí kombinace chemického pokovování a elektrolytické depozice. Měděná vrstva byla nejprve vytvořena chemickým pokovováním a následně elektrolyticky, přičemž depozice niklu byla přesně řízena úpravou doby elektrolytické depozice. Byla provedena komplexní charakterizace vzorků zahrnující analýzu složení, popis morfologie, a strukturální analýzu.
Morfologická analýza vedla k závěru, že nikl postupně pokrývá měděnou vrstvu a vyplňuje póry textilie se zvyšující se dobou elektrolytické depozice, přičemž vznikají nanoskopické, rovnoměrné a kompaktní vrstvy. Strukturální analýza a analýza valenčních stavů identifikovaly oxidy mědi převážně v oblasti chemického pokovování a oxidy niklu ve vrstvě niklu, přičemž bylo zjištěno, že obě tyto složky přispívají ke zlepšení termoelektrických vlastností materiálu. Ve srovnání s konvenčním elektrolytickým pokovováním niklem na měděné fólii se díky nanoskopické distribuci kovových částic a stabilizačnímu účinku oxidů mědi na elektrickou vodivost výrazně snížilo riziko zkratu.
Pro hodnocení termoelektrických vlastností byly vyvinuty dva testovací systémy: model kontinuálního chlazení pro široké teplotní rozsahy (11,5 °C až 110 °C) a model s regulovanou teplotou pro přesné testování (14 °C až 62 °C). Obě metody prokázaly silnou podobnost výsledků, což potvrzuje použitelnost kontinuálního chlazení. Seebeckův koeficient zůstal stabilní v rozmezí 8,75 až 17,50 V/K při vysokých teplotních rozdílech. Materiál vykazoval rychlou termoelektrickou odezvu s časovými konstantami (t0,63 a t0,93) 2,5 sekundy a 4 sekundy při teplotním rozdílu 5 °C. Textilie si také zachovaly stabilní chování při krutu, vystavení větru a ostatním klimatickým faktorům (zejména vlhkosti) a po praní.
Kromě termoelektrických vlastností vykazovaly "Ni@Cu-coated fabrics" vynikající flexibilitu, prodyšnost, elektromagnetické stínění a tepelný komfort, což je činí vhodnými pro aplikace v inteligentních nositelných textiliích. Tato práce prokazuje praktickou strategii pro navrhování vysoce výkonných textilních termoelektrických materiálů, otevírající cestu k pokročilým materiálům zajištujícím nositelné generátory elektrické energie z energie tepelné a naopak.
Textile-based thermoelectric materials are increasingly recognized for their potential in wearable electronics, offering flexibility, breathability, and energy harvesting capabilities. However, achieving high thermoelectric performance alongside mechanical durability and stability remains a critical challenge. In this thesis, nickel (Ni)-coated and copper (Cu)-coated polyester nonwoven fabrics (Ni@Cu-coated fabrics) were successfully fabricated using a combination of chemical plating and electroplating techniques. The copper layer was initially formed by chemical plating, followed by electroplating, while the nickel deposition was precisely controlled by adjusting the electroplating time. Comprehensive characterization, including morphological, compositional, and structural analyses, was conducted to evaluate the samples. Morphological analysis revealed that the nickel layer gradually covered the copper layer and filled the fabric pores with increasing electroplating time, forming nanoscale, uniform, and compact coatings. Structural and valence state analysis identified copper oxides predominantly in the chemical plating region and nickel oxides in the nickel layer, both of which were found to enhance the material's thermoelectric performance. Compared to conventional nickel electroplating on copper foils, the Ni@Cu-coated fabrics significantly reduced short-circuit risks, attributed to the nanoscale distribution of metal particles and the stabilizing effect of copper oxides on electrical conductivity. To evaluate thermoelectric performance, two testing setups were developed: a continuous cooling model for broad temperature ranges (11.5 °C to 110 °C) and a controlled temperature model for precise testing (14 °C to 62 °C). Both methods demonstrated strong consistency, validating the reliability of the continuous cooling approach. The Seebeck coefficient remained stable within the range of 8.75 to 17.50 V/K across wide temperature differences. The material demonstrated rapid thermoelectric response, with time constants (t0.63 and t0.93) of 2.5 seconds and 4 seconds, respectively, under a 5 °C temperature difference. The fabrics also exhibited stable performance under twisting, wind exposure, and after washing. In addition to thermoelectric performance, the Ni@Cu-coated fabrics displayed superior breathability, electromagnetic shielding, and low thermal conductivity, making them ideal for smart flexible thermocouple applications. This work provides a scalable and practical strategy for designing high-performance textile-based thermoelectric materials, paving the way for advanced wearable energy solutions.
Textile-based thermoelectric materials are increasingly recognized for their potential in wearable electronics, offering flexibility, breathability, and energy harvesting capabilities. However, achieving high thermoelectric performance alongside mechanical durability and stability remains a critical challenge. In this thesis, nickel (Ni)-coated and copper (Cu)-coated polyester nonwoven fabrics (Ni@Cu-coated fabrics) were successfully fabricated using a combination of chemical plating and electroplating techniques. The copper layer was initially formed by chemical plating, followed by electroplating, while the nickel deposition was precisely controlled by adjusting the electroplating time. Comprehensive characterization, including morphological, compositional, and structural analyses, was conducted to evaluate the samples. Morphological analysis revealed that the nickel layer gradually covered the copper layer and filled the fabric pores with increasing electroplating time, forming nanoscale, uniform, and compact coatings. Structural and valence state analysis identified copper oxides predominantly in the chemical plating region and nickel oxides in the nickel layer, both of which were found to enhance the material's thermoelectric performance. Compared to conventional nickel electroplating on copper foils, the Ni@Cu-coated fabrics significantly reduced short-circuit risks, attributed to the nanoscale distribution of metal particles and the stabilizing effect of copper oxides on electrical conductivity. To evaluate thermoelectric performance, two testing setups were developed: a continuous cooling model for broad temperature ranges (11.5 °C to 110 °C) and a controlled temperature model for precise testing (14 °C to 62 °C). Both methods demonstrated strong consistency, validating the reliability of the continuous cooling approach. The Seebeck coefficient remained stable within the range of 8.75 to 17.50 V/K across wide temperature differences. The material demonstrated rapid thermoelectric response, with time constants (t0.63 and t0.93) of 2.5 seconds and 4 seconds, respectively, under a 5 °C temperature difference. The fabrics also exhibited stable performance under twisting, wind exposure, and after washing. In addition to thermoelectric performance, the Ni@Cu-coated fabrics displayed superior breathability, electromagnetic shielding, and low thermal conductivity, making them ideal for smart flexible thermocouple applications. This work provides a scalable and practical strategy for designing high-performance textile-based thermoelectric materials, paving the way for advanced wearable energy solutions.
Description
Subject(s)
Termoelektrické jevy, PET netkaná textilie, Měď, Nikl, Elektrolytické pokovování, Seebeckův koeficient