低热导率复合材料结构设计与热电性能研究

摘要

近年来，随着能源危机和环境污染两大问题的日益严重，绿色能源的开发与利用越来越受到人们的重视。热电材料是一种利用热电技术实现电能与热能相互转换的环境友好型能源材料，广泛应用于温差发电和热电制冷领域。通常用ZT值(ZT=S2σT/k)来评价材料的热电性能，由公式可知除温度T外，热电性能还与Seebeck系数S、电导率σ和热导率k三个热电参数有关，其中，降低材料的热导率k是优化热电性能的有效途径之一。因此，如何构筑低热导率热电材料，改善热电性能的研究具有非常重要的意义。本文从选用特殊材料、构筑特殊结构、掺杂纳米粒子等方法出发，设计制备低热导率热电复合材料。具体研究内容和结论如下:
　　(1)选用导电高分子聚（3，4-二氧乙撑噻吩）∶聚对苯乙烯磺酸(PEDOT∶PSS)为原料，引入多壁碳纳米管(MWCNTs)和Ag纳米片，通过设计特殊结构来制备低热导率热电材料。研究发现该材料具有三维网络结构，其中MWCNTs构筑孔洞结构，比表面积可达228m2/g。在Ag掺杂PEDOT∶PSS/MWCNT(PCA)复合气凝胶中，引入Ag纳米片对热导率影响较小，PCA气凝胶热导率变化范围在0.06 W/mK～0.11 W/mK之间，与纯的PEDOT∶PSS(0.348±0.01 W/mK)相比，热导率几乎降低了一个数量级。此外，Ag纳米片的添加有利于同时提高复合材料电导率和Seebeck系数。综合三个因素的影响，制备的热电材料室温下PCA气凝胶ZT值最高为7.56×10-3。
　　(2)选用高Seebeck系数、高电导率的无机纳米材料Bi2Te3与PEDOT∶PSS复合制备PEDOT∶PSS/Bi2Te3(PB)复合气凝胶，并对热电性能进行了测试和分析。通过SEM表征发现纯PEDOT∶PSS气凝胶内部孔洞结构清晰且完整，在PB复合气凝胶中Bi2Te3粉体均匀的分散在高分子基体中，而且孔洞结构没有被破坏。室温下，PB复合气凝胶热导率在0.15 W/mK～0.24 W/mK之间并随着Bi2Te3含量的增加而增大。引入Bi2Te3导致复合气凝胶电导率提高，Seebeck系数最大高达92.61μV/K。
　　(3)以低导热材料滤纸为基底，采用物理旋涂方法制PEDOT∶PSS/MWCNTs(PMF)纳米复合薄膜热电材料。实验研究了原料比例、涂层数目及测试温度对复合材料热电性能的影响。研究发现MWCNTs在PEDOT∶PSS中分散均匀且有良好的界面作用;室温条件下，PMF复合材料热导率较低，热导率最高约为0.2 W/mK左右;原料配比为1∶1时，PMF薄膜整体导电性能最佳;随着涂布层数的增加，电导率先增加后降低，当原料配比1∶1的PMF样品在涂层数目为3层时，电导率可高达3530.47 S/m，Seebeck系数为15μV/K到19μV/K。
　　(4)采用水热法合成碲化铋粉体，将炭黑(CB)与其掺杂制备不同比例的碲化铋-炭黑(Bi2Te3/CB)复合材料，研究了复合材料的热电性能。同时采用TGA、SEM、XRD等分析方法表征复合材料的结构，探究了微观结构与热电性能的关系。研究发现:室温下，CB的引入使复合材料的热导率大大降低(从0.59 W/mK降到0.09 W/mK);随着Bi2Te3含量的增加，复合材料的电导率、热导率均增大，Seebeck系数先增加后降低;当Bi2Te3含量为88.9wt％时，在558℃下烧结10 min复合材料室温下的ZT值最大(ZT=0.21)。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 热电材料概述

1．2．1 热电效应

1．2．2 热电参数

1．3 热电材料的研究进展

1．3．1 无机热电材料

1．3．2 有机热电材料

1．3．3 有机-无机复合热电材料

1．4 研究思路

1．5 研究内容和创新点

1．5．1 选题依据

1．5．2 研究内容

1．5．3 创新点

第二章 实验试剂与仪器

2．2 实验仪器

2．3 测试与表征设备

2．4 热电性能测试方法

第三章 Ag掺杂PEDOT：PSS／MWCNTs气凝胶复合热电材料的制备与性能研究

3．1 前言

3．2 Ag掺杂PEDOT：PSS／MWCNTs气凝胶制备

3．3 实验结果与讨论

3．3．1 气凝胶微观结构分析

3．3．2 比表面积分析

3．3．3 热电性能分析

3．4 结论

第四章 PEDOT：PSS／Bi2Te3气凝胶复合热电材料的制备与性能研究

4．1 前言

4．2 PEDOT：PSS／Bi2Te3气凝胶制备

4．3 实验结果与讨论

4．3．1 Bi2Te3粉体的特性表征

4．3．2 PEDOT：PSS／Bi2Te3气凝胶微观结构分析

4．3．3 PEDOT：PSS／Bi2Te3热电性能分析

4．4 结论

第五章 PEDOT：PSS／MWCNTs薄膜复合热电材料制备与性能研究

5．1 前言

5．2 PEDOT：PSS／MWCNTs薄膜材料制备

5．3 实验结果与讨论

5．3．1 微观结构分析

5．3．2 热电性能分析

5．4 结论

第六章 低热导率碲化铋／炭黑复合材料的制备与性能研究

6．1 前言

6．2 Bi2Te3／CB复合材料制备

6．3 实验结果与讨论

6．3．1 Bi2Te3／CB复合材料焙烧实验条件的探索

6．3．2 Bi2Te3／CB复合材料物相分析

6．3．3 Bi2Te3／CB复合材料微观结构分析

6．3．4 Bi2Te3／CB复合材料的热电性能分析

6．4 结论

第七章 结论与展望

参考文献

致谢

在校期间的科研成果