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与无机半导体热电材料相比,导电聚合物具有低成本,低密度和低热导率等特性,因而是一种有潜在应用前景的热电材料。其中,聚苯胺由于具有较好的电传输性能,良好的环境稳定性,优异的掺杂机制,被认为是最具有开发潜力的导电聚合物热电材料之一。但是,聚苯胺的电导率和塞贝克系数较低,如何提高其电传输性能是目前亟待解决的关键问题。虽然已有报道表明,通过碳纳米管与聚苯胺复合可以改善其电传输性能,但其作用机制和影响因素尚不清楚,再进一步提高其热电性能比较困难。本文以碳纳米管/聚苯胺复合材料为研究对象,通过详细研究碳纳米管的纯度、金属颗粒掺杂以及不同的合成方法对碳纳米管/聚苯胺复合材料热电性能的影响,对碳纳米管与聚苯胺热电性能之间的相互关系和作用机制进行了初步探索,主要研究内容如下:
(1)选用不同纯度的碳管与聚苯胺复合,发现高纯碳纳米管/聚苯胺复合材料的最高电导率为560S/cm,热电优值达到0.023,均为目前聚苯胺或聚苯胺基复合热电材料的最高值。这主要是因为高纯单壁碳管的结构杂质减少,孔洞增加,从而增强了碳纳米管与聚苯胺之间的π-π共轭相互作用,使得复合材料的热电性能远高于普通碳管与聚苯胺的复合材料。
(2)对复合材料进行了氯化银掺杂和金颗粒掺杂,并对其热电性能进行了研究。利用先镀银后氧化的方式对碳纳米管/聚苯胺复合材料其进行氯化银掺杂,发现其电导率降低和塞贝克系数随氯化银的含量的增加变化不大,拉曼光谱的测试表明了氯化银的掺杂降低了复合材料当中聚苯胺与单壁碳管链之间的π-π共轭相互作用;利用还原氯金酸的手段进行金颗粒掺杂,发现复合材料电导率随着金颗粒的含量逐渐降低而塞贝克系数基本保持不变。主要是由于金颗粒与氯化银颗粒堵塞了碳纳米管的孔洞,影响了π-π共轭相互作用。
(3)分别采用原位聚合法和界面聚合法制备了碳纳米管/聚苯胺复合材料,研究了合成方法对聚苯胺与单壁碳管复合材料热电性能的影响。我们采用了界面反应方法制备了聚苯胺与单壁碳管的复合材料以及金颗粒掺杂的聚苯胺与单壁碳管复合材料。发现界面反应制得的纳米颗粒比原位聚合反应制得的纳米颗粒细而短,复合材料的电导率有所降低而塞贝克系数有所升高。总体来看,热电功率因子基本没有变化,界面反应和原位聚合反应合成的复合材料的热电性能相差不大。