[发明专利]一种柔性钛酸锶纳米纤维基复合热电薄膜及其制备方法

说明书

本发明涉及一种柔性钛酸锶纳米纤维基复合热电薄膜及其制备方法，所述热电薄膜以含钛酸锶基陶瓷纤维膜、氧化石墨烯的原料，通过还原处理获得。本发明的薄膜具有优异的热稳定性和空气稳定性，在高温下能够进行稳定工作，同时具有良好的柔性，易于加工成柔性热电器件，该方法为制备柔性陶瓷热电薄膜提供了新的途径，并且对高温柔性热电器件的发展具有重要意义。

技术领域

本发明属于复合热电薄膜及其制备领域，特别涉及一种柔性钛酸锶纳米纤维基复合热电薄膜及其制备方法。

背景技术

近年来，能源危机和环境污染问题受到人们广泛的关注，大部分的热量以废热的形式散发，这无疑是对能源的浪费并且进一步加剧了环境问题。热电转换技术能够实现热能到电能的直接转换，基于塞贝克效应的热电材料，载流子在温差的驱动下从热端向冷端迁移，形成电势差，从而实现热电转换。当前柔性热电材料的发展，顺应了人们对于可穿戴电子设备的需求，材料的柔性更有利于贴合各种形状的热源，保证热量收集的最优化，有利于更好的利用温差进行发电。然而当前的柔性热电材料主要集中在导电聚合物如PEDOT:PSS，及有机-无机复合热电材料，另外还有部分无机热电材料通过打印或者抽滤的方式与柔性基底复合来赋予其柔性，这些材料的热电性能较好，然而导电聚合物及柔性基底往往不耐高温，一些无机合金类材料成本比较高，且部分元素存在毒性、易氧化需要封装等问题，因此发展低成本、无毒、化学稳定无需封装的柔性热电材料具有重要的意义。

氧化物热电材料具有低成本、无毒、可在高温下长期稳定工作、无需封装等优点，有利于弥补当前热电材料存在的成本高、易氧化、化学稳定性差等问题。然而材料本身的载流子浓度低，使其近似绝缘体，导电性极差，需要通过掺杂的方式来提高材料的载流子浓度，增强其电导，并且氧化物热电陶瓷，如钛酸锶，本身具有的脆性问题，极大的限制了其在柔性热电领域的应用。例如专利CN106784279A通过等离子体辅助真空沉积法在氧化物单晶衬底表面实现外延共格生长制备钛酸锶薄膜，该方法得到的钛酸锶薄膜不具备柔性，且制备条件苛刻，对于设备需求高，不利于低成本加工推广。

为了实现热量收集的最大化，提高热电转换效率，在提升材料热电性能的同时，赋予其柔性将更加有利于各种形状的热源的热量收集，且低成本、无毒、耐高温、化学稳定无需封装的材料和器件在推动柔性热电领域实际应用中具有重大意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种柔性钛酸锶纳米纤维基复合热电薄膜及其制备方法，克服现有技术热电陶瓷氧化物脆性及柔性热电薄膜不耐高温的问题。

本发明的一种柔性陶瓷纤维基复合热电薄膜，所述热电薄膜以含钛酸锶基陶瓷纤维膜、氧化石墨烯的原料，通过还原处理获得。

所述纳米纤维基复合热电薄膜是由还原氧化石墨烯包覆具有致密结构的钛酸锶基纳米纤维组成的柔性自支撑薄膜。

所述钛酸锶基陶瓷纤维膜为钛酸锶陶瓷纤维膜、镧掺杂的钛酸锶陶瓷纤维膜、钇掺杂的钛酸锶陶瓷纤维膜中的一种。

本发明的一种柔性陶瓷纤维基复合热电薄膜的制备方法，包括：

(1)以含聚乙烯吡咯烷酮PVP、钛源和锶源的原料，通过溶胶-凝胶法得到纺丝液，然后静电纺丝，得到前驱体凝胶纤维薄膜，真空干燥，煅烧，得到钛酸锶基陶瓷纤维膜；

(2)将钛酸锶基陶瓷纤维膜、氧化石墨烯均匀分散混合，对分散液进行真空抽滤，在还原气氛中进行还原处理，得到柔性自支撑陶瓷纤维基复合热电薄膜。

上述制备方法的优选方式如下：

优选地，所述步骤(1)采用溶胶-凝胶法实现钛源和锶源分子水平的均匀混合，以聚乙烯吡咯烷酮PVP为模板，经过静电纺丝制备出钛酸锶前驱体凝胶纤维薄膜，真空干燥，煅烧，得到具有光滑表面晶粒致密的钛酸锶基陶瓷纤维膜。