【摘 要】
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热电材料是通过能量差驱动载流子定向移动进而实现热能和电能直接转化的新型能源功能材料,它具有传统能源生产利用方式不可比拟的诸多优点,从而被广泛应用于温差发电、温敏信息传输、热电致冷等诸多领域。目前,热电材料相关研究取得了长足的进展,同时还存在以下问题:现有热电材料ZT优值低、热电转化效率低等。由于热电材料具备各种优异性能,可作为智能温度传感器优良的敏感元件。该类传感器通常具有测量范围广、坚实耐用、操
【基金项目】
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2021年国家自然科学基金面上基金“3D打印硅酸盐基材料多尺度结构仿生强韧化研究”（No.52073132）； 2020年国家重点研发计划课题“建筑群地震灾害风险智能感知与灾情评估平台搭建及 工程应用”（No.2019YFC1511005）； 2018年甘肃省杰出青年科学基金“三维石墨烯超材料3D打印关键技术与负热膨胀性能研究”（
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热电材料是通过能量差驱动载流子定向移动进而实现热能和电能直接转化的新型能源功能材料,它具有传统能源生产利用方式不可比拟的诸多优点,从而被广泛应用于温差发电、温敏信息传输、热电致冷等诸多领域。目前,热电材料相关研究取得了长足的进展,同时还存在以下问题:现有热电材料ZT优值低、热电转化效率低等。由于热电材料具备各种优异性能,可作为智能温度传感器优良的敏感元件。该类传感器通常具有测量范围广、坚实耐用、操作简单等优点,同时也存在信号调理复杂、精度低、易受腐蚀、抗噪性差等问题。这些问题限制了热电材料更广范围的应用。石墨烯是具有各种优异性能的二维碳纳米材料,作为石墨烯拓展体的三维石墨烯气凝胶在继承了石墨烯优异电学性能的同时还具备优良的隔热性能,理论上三维石墨烯气凝胶及其复合材料可作为性能卓越的热电传感材料。因此,本论文通过开展模板法、增材制造和掺杂打印等制备方法的研究,得到了具有不同微观形貌特征和不同宏观性能的三维石墨烯气凝胶及其复合材料。同时分析了成型方式、结构特征及掺杂相对三维石墨烯气凝胶及其复合材料热电性能和传感性能的影响,为气凝胶材料热电性能及传感性能的研究提供了理论依据和技术支持。本论文具体研究内容如下:首先,基于模板法调控工艺参数制得不同密度、不同微观形貌特征的三维还原氧化石墨烯气凝胶（RGA）;基于3D打印方式,通过调节设计网络结构和调整打印浆料,实现了不同网络结构石墨烯气凝胶（3DGA）及其复合材料（石墨烯/Bi2Te3）的可控制备。通过SEM、TEM、EDAX、XRD、FTIR、RAMAN等表征方式,测试分析了以上三种材料的微观形貌、元素分布、成键方式、物相组成等。其次,通过Seebeck系数、导电性能和导热性能的测试,探索不同制备工艺、掺杂相对三维石墨烯气凝胶及其复合材料相关性能的影响,实现了通过改变制备方法和工艺参数对三维石墨烯气凝胶及其复合材料单方面性能的调控;整合相关数据得到材料ZT优值,分析三维石墨烯气凝胶及其复合材料的热电性能和热电转化效率。最后,设计传感器模型,测试传感模型的温升传感特性、可重复性、稳定性等;测试不同退火温度处理后石墨烯气凝胶的热电传感特性;测试传感模型在不同真空度下的热电传感特性;测试传感模型置于不同复合气相中的热电传感特性;设计水温计、体温计并模拟测试。
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