[發明專利]導電聚合物復合熱電材料

在審

• 申請號: 201410691492.3
• 申請日: 2014-11-26
• 公開（公告）號: CN104518078A
• 公開（公告）日: 2015-04-15
• 發明（設計）人: 李夢軻;張彤;付洪波;張楠;劉玲毓;孫潔婷;許寧寧;李婷婷;馮秋菊
• 申請（專利權）人: 遼寧師范大學
• 主分類號: H01L35/24
• 分類號: H01L35/24
• 代理公司: 大連非凡專利事務所21220
• 代理人: 曲寶威

技術領域

本發明涉及一種材料，特別是一種導電聚合物復合熱電材料，具體說是涉及一種利用塞貝克(Seebeck)效應實現熱電轉換的新型導電聚合物復合熱電材料。該種材料可應用于各種微機電系統和微納器件供電電源及其它微電源應用領域。

背景技術

熱電材料是一種能夠實現電能與熱能之間相互轉換的功能材料，它可提供一種既清潔又安全的發電方式，具有廣泛的應用前景。目前熱電材料存在的問題是其熱電轉換效率仍較低、價格昂貴及制備工藝較復雜。隨著新能源及新材料技術的不斷進步，開展高性能的熱電材料的研發已成為全球熱電材料研究領域的研究熱點。

熱電材料的熱電轉換效率可用熱電優值ZT來表征，????????????????????????????????????????????????，這里，σ為電導率,?k為導熱系數，為塞貝克(Seebeck)系數，T為絕對溫度。由ZT的表達式可以看出，要提高材料的熱電轉換效率，應選用同時具有較大電導率和盡可能低的熱導率的熱電材料。但事實上，在一定溫度下，決定ZT值的3個因子都是載流子濃度的函數，是相互關聯的，不可能同時使它們得到優化，這是目前妨礙熱電材料性能進一步提高的主要原因。

因導電聚合物具有較好的電導率及力學性能、較低的導熱系數等特點，通過復合優化，不久的將來，導電聚合物就有可能取代傳統的半導體、金屬及超導等材料，成為最優秀的熱電材料，并應用于微機電系統或微電子器件供電電源及其他領域。

近年來,?隨著導電聚合物研究的不斷深入，像聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚苯撐、聚苯撐乙烯、聚雙炔、聚(3,4-乙烯二氧噻吩)?等各種廉價、比重輕、性能穩定、導電特性優異的導電聚合物材料不斷出現。與無機熱電材料相比，導電聚合物的種類豐富、易于制造、成本低且比重輕。人們預測，通過對聚合物分子結構的合理設計，可有效控制其電、光、力學特性等，目前,?世界各國有許多的化學與電子公司競相把導電聚合物列入近期的電子材料科研項目中。

為開發能替代傳統熱電材料Bi₂Te₃的新型熱電材料，世界各國研究者開展了一系列利用各類導電聚合物制備新型有機復合熱電材料的研究工作。

如2011年，?Wang?L.等人開展了利用聚苯胺（PANI）和石墨粉制備有機復合熱電材料的研究工作。2013年，他們又開展了將聚噻吩（PTh）和多壁碳納米管(MWNTs)混合制備有機復合熱電材料的研究工作。研究表明，通過在摻雜PANI中混合50%重量百分比的石墨粉，制備的聚合物復合熱電材料的電導率可增加2個數量級，而熱導率變化不大。在溫度393?K條件下，該種聚合物復合熱電材料的熱電優值可達1.37×10^?3?，比單純的摻雜PANI的熱電優值有了較大改善。而通過在PTh中混合30-80%重量百分比的MWNTs，該種PTh/MWNTs復合熱電材料的熱電優值可達8.71?×10^-4。但因材料的熱電優值相對較小，離應用要求還有不小差距。

2011年，C.A.?Hewitt等人制備了石墨烯/?PVDF有機復合熱電材料，發現碳基熱電材料的特性與材料的內稟特性及外界環境有關，在外界條件一定的情況下，要想增加復合熱電材料的熱電優值，就必須增加復合材料的電導率，同時保持其熱導率不變，這只能通過添加導電聚合物來達到。

2012年，Roch?Chan?Yu?King等人研究了在PANI聚合物中添加各種碳管的熱電材料的制備及特性研究工作，研究表明通過在PANI聚合物中添加一定量的未氧化碳管，復合材料的電導率可達σ=?530?S·?cm^?1，其熱電優值確有較大改善。

2014年，?Zheng?Bin等人開展了制備PANI?/?Ca₃Co₄O₉復合熱電材料的研究工作，研究表明，通過將一定比例氧化物Ca₃Co₄O₉與PANI混合，相對純凈的摻雜PANI，其熱導率和電導率變化很小，但復合熱電材料的Seebeck系數增加了400%。在溫度393?K條件下，其熱電優值可達5×10^?4?。

2014年，?Wang?Jiao等人開展了將PTh與利用MWNTs混合制備有機復合熱電材料的研究工作，研究發現，通過MWNTs的混合改性，PTh/MWNTs有機復合熱電材料的Seebeck系數可增大20倍。