低熱導率復合材料結(jié)構(gòu)設計與熱電性能研究.pdf_第1頁
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文檔簡介

1、近年來,隨著能源危機和環(huán)境污染兩大問題的日益嚴重,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實現(xiàn)電能與熱能相互轉(zhuǎn)換的環(huán)境友好型能源材料,廣泛應用于溫差發(fā)電和熱電制冷領域。通常用ZT值(ZT=S2σT/k)來評價材料的熱電性能,由公式可知除溫度T外,熱電性能還與Seebeck系數(shù)S、電導率σ和熱導率k三個熱電參數(shù)有關,其中,降低材料的熱導率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),設計制備低熱導率熱電復合材料。具體研究內(nèi)容和結(jié)論如下:
  (1)選用導電高分子聚(3,4-二氧乙撐噻吩)∶聚對苯乙烯磺酸(PEDOT∶PSS)為原料,引入多壁碳納米管(MWCNTs)和Ag納米片,通過設計特殊結(jié)構(gòu)來制備低熱導率熱電材料。研究發(fā)現(xiàn)該材料具有三維網(wǎng)絡結(jié)構(gòu),其中MWCNTs構(gòu)筑孔洞結(jié)構(gòu),比表面積可達228m2/g。在Ag摻雜PEDOT

3、∶PSS/MWCNT(PCA)復合氣凝膠中,引入Ag納米片對熱導率影響較小,PCA氣凝膠熱導率變化范圍在0.06 W/mK~0.11 W/mK之間,與純的PEDOT∶PSS(0.348±0.01 W/mK)相比,熱導率幾乎降低了一個數(shù)量級。此外,Ag納米片的添加有利于同時提高復合材料電導率和Seebeck系數(shù)。綜合三個因素的影響,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、高電導率的無機納米材料Bi2Te3與PEDOT∶PSS復合制備PEDOT∶PSS/Bi2Te3(PB)復合氣凝膠,并對熱電性能進行了測試和分析。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復合氣凝膠熱導率在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導致復合氣凝膠電導率

5、提高,Seebeck系數(shù)最大高達92.61μV/K。
  (3)以低導熱材料濾紙為基底,采用物理旋涂方法制PEDOT∶PSS/MWCNTs(PMF)納米復合薄膜熱電材料。實驗研究了原料比例、涂層數(shù)目及測試溫度對復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復合材料熱導率較低,熱導率最高約為0.2 W/mK左右;原料配比為1∶1時,PMF薄膜整體導電性能最佳;隨著涂布

6、層數(shù)的增加,電導率先增加后降低,當原料配比1∶1的PMF樣品在涂層數(shù)目為3層時,電導率可高達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)復合材料,研究了復合材料的熱電性能。同時采用TGA、SEM、XRD等分析方法表征復合材料的結(jié)構(gòu),探究了微觀結(jié)構(gòu)與熱電性能的關系。研究發(fā)現(xiàn):室溫下,CB的引入使復合

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