ZnO纳米线基MWNTs/PVDF及PANI/PVDF复合热电材料的制备及热电特性

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近年来,随着纳米科技的不断进步,利用纳米半导体材料具有的低维化及较大的比表面积特性实现电、声输运特性的协同调控,优化热电性能,拓展热电材料的研究领域,开发具有更高热电效率、价格低廉、超轻、可伸展的新型纳米热电材料的研究已成为欧美日等各国全力发展的重要研究项目之一。为了开发新型热电材料并实现热电转换,使其可为未来的微纳机电系统、电子器件提供可持续电能。本文分别研究了ZnO纳米线基MWNTs/PVDF、ZnO纳米线基PANI/PVDF及ZnO纳米线基MWNTs/PANI/PVDF复合热电材料的制备工艺及热电特性。论文主要工作如下:(1)将不同比例的多壁碳管(MWNTs)与聚偏二氟乙烯(PVDF)聚合物混合后,将其喷涂于n型ZnO半导体纳米线阵列上,制备了一种新型ZnO纳米线基MWNTs/PVDF热电复合材料。与以往采用价格昂贵的p型与n型单壁碳纳米管(SWNTs)与聚合物混合制备的复合热电材料的特性相比,这种新型热电复合材料在降低制造成本的同时,利用分散于聚合物中MWNTs的一维电子传输特性及形成的大量界面势垒,加上ZnO半导体纳米线具有的较高的载流子密度与迁移率,提高了复合热电材料中电子的输运特性,增加了材料对声子的散射强度。测试发现,在一定的温度梯度下,随着添加MWNTs质量百分比的增加,热电材料的温差电动势和电导率也随之增加,但其塞贝克系数变化量却并不大,说明分散于聚合物中MWNTs的一维电子传输特性及ZnO纳米线及碳管与聚合物之间形成的大量界面势垒在增强复合材料导电特性的同时,并没有改变材料体系的导热特性。研究表明,这种热电材料有望替代采用p型与n型SWNTs构建的SWNTs/PVDF复合热电材料。(2)将不同比例的聚苯胺(PANI)与聚偏二氟乙烯(PVDF)聚合物混合后,将其喷涂于n型ZnO半导体纳米线阵列上,制备了一种新型ZnO纳米线基PANI/PVDF热电复合材料。通过对多个样品的热电动势,塞贝克系数,电导率和输出功率等的热电特性研究,发现复合材料均表现出了良好的热电特性,说明采用在聚合物体系中添加导电聚合物方法可为制备新型热电材料及提升这种复合热电材料的热电性能提供可行的研究及制备方法。分析发现,因PANI颗粒分散于聚合物PVDF基质中形成了大量的界面势垒,限制了声子的传导,降低了复合体系的热导率;同时,加上体系材料与导电良好的ZnO纳米线阵列之间形成的相互嵌合作用影响,增大了复合体系中载流子传输的平均自由程及传输效率,有利于载流子在晶界间进行弹道输运。这些因素都将对复合热电材料的电导率和Seebeck系数的提高产生有益的影响。研究结果有望应用于开发超轻、无毒、廉价和可应用于各种微纳电子领域的新型热电材料电源领域中。(3)将不同比例的多壁碳管(MWNTs)、聚苯胺(PANI)及聚偏二氟乙烯(PVDF)聚合物混合后,将其喷涂于n型ZnO半导体纳米线阵列上,制备了一种新型ZnO纳米线基MWNTs/PANI/PVDF三种材料混合的三元体系新型复合热电材料。通过对多个不同MWNTs和PANI含量的样品进行的测试分析比对,发现该复合热电材料样品的导电特性及热电特性均比单一添加MWNTs或PANI的前两种复合材料样品有所提高。检索发现,目前,世界范围内对三元体系复合热电材料的研究报道较少,本论文开展的新型热电材料的制备及测试工作对开发新型聚合物复合热电材料,进一步增强其电导率,降低其热导率,提高材料的Seebeck系数都会产生有益影响。本论文的研究结果将为新型热电材料的制备及应用提供一定的参考价值。
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