聚苯胺及其复合材料热电性能的研究

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热电材料是一类能实现热能与电能直接转换的功能材料,在发电和制冷技术领域有着广泛的应用前景。无机热电材料研究相对成熟,性能较好,但价格昂贵,加工困难。聚苯胺作为典型的导电高分子材料,具有易于制备、价格低廉、稳定性好、掺杂机制独特、热导率低等传统无机热电材料所不具备的优点,其作为低成本聚合物热电材料备受关注。迄今为止,聚苯胺的热电性能还很低,与传统无机热电材料的热电性能还相差很远。  本文以聚苯胺及其复合材料为研究主体,用ZEM-3、LFA-457、SEM等表征设备研究了其热电性能及微观形貌。内容主要包括:(1)用氧化聚合法制备了聚苯胺,研究了制备条件对聚苯胺热电性能和微观结构的影响;(2)以不同温度(90℃、120℃、150℃、180℃)热处理了聚苯胺,并讨论了不同温度处理后聚苯胺的热电性能;(3)以原位聚合法制备了石墨烯/聚苯胺复合材料,并分析了其热电性能,对比了不同含量的石墨烯对复合材料热电性能的影响;(4)分别用原位聚合法和机械混合法制备了Ge0.94Pb0.01Bi0.05Te/PANI,对比研究了Ge0.94Pb0.01Bi0.05Te/PANI复合材料的热电性能。  结果表明:(1)制备条件对聚苯胺的Seebeck系数及热导率影响较小,而对聚苯胺的无量纲热电优值ZT有较大的影响,因为聚苯胺的电导率随制备条件的变化而发生较大的变化;(2)90~180℃范围内的热处理并没有改善聚苯胺的热电性能,反而降低了近一个数量级,主要原因是热处理后材料的电导率发生了较大程度的降低;(3)石墨烯能提高 Graphene/PANI复合材料的电导率和功率因子,但是石墨烯也增加了Graphene/PANI复合材料的热导率,石墨烯质量分数为20%的Graphene/PANI的ZT值比单一的聚苯胺增加了约90%;(4)由于Ge0.94Pb0.01Bi0.05Te具有较好的热电性能,通过原位聚合法和机械混合法制备的Ge0.94Pb0.01Bi0.05Te/PANI复合材料的热电性能均较单一聚苯胺的热电性能有所改善,增加的幅度在一个数量级左右。通过本文的工作,可以认为:聚苯胺的导电性能是提高其热电性能的主要限制因素,而通过复合等方式可有效提高其电导率并进而改善其热电性能。
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