[发明专利]导电聚合物复合热电材料

说明书

技术领域

本发明涉及一种材料，特别是一种导电聚合物复合热电材料，具体说是涉及一种利用塞贝克(Seebeck)效应实现热电转换的新型导电聚合物复合热电材料。该种材料可应用于各种微机电系统和微纳器件供电电源及其它微电源应用领域。

背景技术

热电材料是一种能够实现电能与热能之间相互转换的功能材料，它可提供一种既清洁又安全的发电方式，具有广泛的应用前景。目前热电材料存在的问题是其热电转换效率仍较低、价格昂贵及制备工艺较复杂。随着新能源及新材料技术的不断进步，开展高性能的热电材料的研发已成为全球热电材料研究领域的研究热点。

热电材料的热电转换效率可用热电优值ZT来表征，                                                ，这里，σ为电导率, k为导热系数，为塞贝克(Seebeck)系数，T为绝对温度。由ZT的表达式可以看出，要提高材料的热电转换效率，应选用同时具有较大电导率和尽可能低的热导率的热电材料。但事实上，在一定温度下，决定ZT值的3个因子都是载流子浓度的函数，是相互关联的，不可能同时使它们得到优化，这是目前妨碍热电材料性能进一步提高的主要原因。

因导电聚合物具有较好的电导率及力学性能、较低的导热系数等特点，通过复合优化，不久的将来，导电聚合物就有可能取代传统的半导体、金属及超导等材料，成为最优秀的热电材料，并应用于微机电系统或微电子器件供电电源及其他领域。

近年来, 随着导电聚合物研究的不断深入，像聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚苯撑、聚苯撑乙烯、聚双炔、聚(3,4-乙烯二氧噻吩) 等各种廉价、比重轻、性能稳定、导电特性优异的导电聚合物材料不断出现。与无机热电材料相比，导电聚合物的种类丰富、易于制造、成本低且比重轻。人们预测，通过对聚合物分子结构的合理设计，可有效控制其电、光、力学特性等，目前, 世界各国有许多的化学与电子公司竞相把导电聚合物列入近期的电子材料科研项目中。

为开发能替代传统热电材料Bi₂Te₃的新型热电材料，世界各国研究者开展了一系列利用各类导电聚合物制备新型有机复合热电材料的研究工作。

如2011年， Wang L.等人开展了利用聚苯胺（PANI）和石墨粉制备有机复合热电材料的研究工作。2013年，他们又开展了将聚噻吩（PTh）和多壁碳纳米管(MWNTs)混合制备有机复合热电材料的研究工作。研究表明，通过在掺杂PANI中混合50%重量百分比的石墨粉，制备的聚合物复合热电材料的电导率可增加2个数量级，而热导率变化不大。在温度393 K条件下，该种聚合物复合热电材料的热电优值可达1.37×10^?3 ，比单纯的掺杂PANI的热电优值有了较大改善。而通过在PTh中混合30-80%重量百分比的MWNTs，该种PTh/MWNTs复合热电材料的热电优值可达8.71 ×10^-4。但因材料的热电优值相对较小，离应用要求还有不小差距。

2011年，C.A. Hewitt等人制备了石墨烯/ PVDF有机复合热电材料，发现碳基热电材料的特性与材料的内禀特性及外界环境有关，在外界条件一定的情况下，要想增加复合热电材料的热电优值，就必须增加复合材料的电导率，同时保持其热导率不变，这只能通过添加导电聚合物来达到。

2012年，Roch Chan Yu King等人研究了在PANI聚合物中添加各种碳管的热电材料的制备及特性研究工作，研究表明通过在PANI聚合物中添加一定量的未氧化碳管，复合材料的电导率可达σ= 530 S· cm^?1，其热电优值确有较大改善。

2014年， Zheng Bin等人开展了制备PANI / Ca₃Co₄O₉复合热电材料的研究工作，研究表明，通过将一定比例氧化物Ca₃Co₄O₉与PANI混合，相对纯净的掺杂PANI，其热导率和电导率变化很小，但复合热电材料的Seebeck系数增加了400%。在温度393 K条件下，其热电优值可达5×10^?4 。

2014年， Wang Jiao等人开展了将PTh与利用MWNTs混合制备有机复合热电材料的研究工作，研究发现，通过MWNTs的混合改性，PTh/MWNTs有机复合热电材料的Seebeck系数可增大20倍。