低熱導(dǎo)率復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與熱電性能研究.pdf

1、近年來，隨著能源危機(jī)和環(huán)境污染兩大問題的日益嚴(yán)重，綠色能源的開發(fā)與利用越來越受到人們的重視。熱電材料是一種利用熱電技術(shù)實(shí)現(xiàn)電能與熱能相互轉(zhuǎn)換的環(huán)境友好型能源材料，廣泛應(yīng)用于溫差發(fā)電和熱電制冷領(lǐng)域。通常用ZT值(ZT=S2σT/k)來評(píng)價(jià)材料的熱電性能，由公式可知除溫度T外，熱電性能還與Seebeck系數(shù)S、電導(dǎo)率σ和熱導(dǎo)率k三個(gè)熱電參數(shù)有關(guān)，其中，降低材料的熱導(dǎo)率k是優(yōu)化熱電性能的有效途徑之一。因此，如何構(gòu)筑低熱導(dǎo)率熱電材料，改善熱電性

2、能的研究具有非常重要的意義。本文從選用特殊材料、構(gòu)筑特殊結(jié)構(gòu)、摻雜納米粒子等方法出發(fā)，設(shè)計(jì)制備低熱導(dǎo)率熱電復(fù)合材料。具體研究內(nèi)容和結(jié)論如下:
　　(1)選用導(dǎo)電高分子聚（3，4-二氧乙撐噻吩）∶聚對(duì)苯乙烯磺酸(PEDOT∶PSS)為原料，引入多壁碳納米管(MWCNTs)和Ag納米片，通過設(shè)計(jì)特殊結(jié)構(gòu)來制備低熱導(dǎo)率熱電材料。研究發(fā)現(xiàn)該材料具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其中MWCNTs構(gòu)筑孔洞結(jié)構(gòu)，比表面積可達(dá)228m2/g。在Ag摻雜PEDOT

3、∶PSS/MWCNT(PCA)復(fù)合氣凝膠中，引入Ag納米片對(duì)熱導(dǎo)率影響較小，PCA氣凝膠熱導(dǎo)率變化范圍在0.06 W/mK～0.11 W/mK之間，與純的PEDOT∶PSS(0.348±0.01 W/mK)相比，熱導(dǎo)率幾乎降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)。此外，Ag納米片的添加有利于同時(shí)提高復(fù)合材料電導(dǎo)率和Seebeck系數(shù)。綜合三個(gè)因素的影響，制備的熱電材料室溫下PCA氣凝膠ZT值最高為7.56×10-3。
　　(2)選用高Seebeck系數(shù)、

4、高電導(dǎo)率的無機(jī)納米材料Bi2Te3與PEDOT∶PSS復(fù)合制備PEDOT∶PSS/Bi2Te3(PB)復(fù)合氣凝膠，并對(duì)熱電性能進(jìn)行了測試和分析。通過SEM表征發(fā)現(xiàn)純PEDOT∶PSS氣凝膠內(nèi)部孔洞結(jié)構(gòu)清晰且完整，在PB復(fù)合氣凝膠中Bi2Te3粉體均勻的分散在高分子基體中，而且孔洞結(jié)構(gòu)沒有被破壞。室溫下，PB復(fù)合氣凝膠熱導(dǎo)率在0.15 W/mK～0.24 W/mK之間并隨著Bi2Te3含量的增加而增大。引入Bi2Te3導(dǎo)致復(fù)合氣凝膠電導(dǎo)率

5、提高，Seebeck系數(shù)最大高達(dá)92.61μV/K。
　　(3)以低導(dǎo)熱材料濾紙為基底，采用物理旋涂方法制PEDOT∶PSS/MWCNTs(PMF)納米復(fù)合薄膜熱電材料。實(shí)驗(yàn)研究了原料比例、涂層數(shù)目及測試溫度對(duì)復(fù)合材料熱電性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)MWCNTs在PEDOT∶PSS中分散均勻且有良好的界面作用;室溫條件下，PMF復(fù)合材料熱導(dǎo)率較低，熱導(dǎo)率最高約為0.2 W/mK左右;原料配比為1∶1時(shí)，PMF薄膜整體導(dǎo)電性能最佳;隨著涂布

6、層數(shù)的增加，電導(dǎo)率先增加后降低，當(dāng)原料配比1∶1的PMF樣品在涂層數(shù)目為3層時(shí)，電導(dǎo)率可高達(dá)3530.47 S/m，Seebeck系數(shù)為15μV/K到19μV/K。
　　(4)采用水熱法合成碲化鉍粉體，將炭黑(CB)與其摻雜制備不同比例的碲化鉍-炭黑(Bi2Te3/CB)復(fù)合材料，研究了復(fù)合材料的熱電性能。同時(shí)采用TGA、SEM、XRD等分析方法表征復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)，探究了微觀結(jié)構(gòu)與熱電性能的關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn):室溫下，CB的引入使復(fù)合