3D打印工艺制备柔性聚合物基复合热电材料的研究
近年来，由于化石能源无法再生，环境污染日益严重，能够通过载流子输运实现热电和电能直接相互转换的热电材料得到了快速的发展。目前商用的无机热电材料多存在原料成本高、制备工艺复杂、所制备的硬质器件无法与热源面完全贴合而能量利用率低等问题。开发快速、低能耗、低成本、易操作的制备方法和工艺，对于加速实现热电材料的实际应用、降低热电材料成本具有重要意义。聚合物材料具有成本低、柔性好、易制备等优点，将聚合物与无机材料复合制备柔性聚合物-无机复合热电材料，是实现无机热电材料在柔性电子领域应用的有效方法。尽管目前聚合物-无机复合热电材料的热电性能有一定的提高，但相比于无机热电材料仍较低。3D打印技术具有快速、能耗低、原材料需求少、可以打印出各种不同形状的材料等优点，在热电材料领域具有较大潜力。本论文分别使用复合型绝缘聚合物基(聚乳酸基)与结构型导电聚合物基(PEDOT:PSS)材料，设计和制备合适粘度的聚合物基热电浆料，采用3D打印技术制备相应的聚合物基复合热电材料，探索3D打印技术制备聚合物基复合热电材料的最佳制备工艺，期望所制备的样品既具有无机材料的高Seebeck系数和高的电导率，同时保留聚合物基的柔性和低热导率，提高复合材料的热电性能和柔性。主要工作内容如下： (1)利用溶液3D打印技术制备炭黑/碲化铋合金/聚乳酸柔性复合热电材料，结合X射线衍射分析（XRD）、透射电子显微镜（SEM）、X射线能谱分析（SEM–EDS mapping）、热电性能测试等分析方法，研究碲化铋合金含量对复合材料组成、微观结构、样品柔性和热电性能的影响规律；研究不同温度条件下复合材料的热电性能；在300K时，随着碲化铋合金的质量比从38.5％增加到71.4％，炭黑/碲化铋合金/聚乳酸复合热电材料的功率因子从2.1μW/mK2增加到19.2μW/mK2，热导率从0.15W/mK增加至0.25W/mK，ZT值从0.004升高至0.023。最终炭黑/碲化铋合金/聚乳酸复合热电材料（碲化铋合金的质量比为71.4％）在320K时得到最高功率因子20.7μW/mK2（ZT值为0.024）。 (2)利用溶液3D打印技术制备碲化铋合金/聚乳酸-银/聚乳酸双层复合热电材料，结合XRD、SEM、SEM–EDS mapping、热电性能测试等分析方法，研究银含量对复合材料组成、微观结构、材料界面和热电性能的影响规律；研究不同温度条件下复合材料的热电性能；同时提出一种新机理来解释样品同时具有较高电导率与Seebeck系数的原因。在300K时，当银的质量分数从的75％增加到87.5％，双层复合材料的电导率从12.3S/cm急剧增加到1710.2S/cm；银的质量分数从75％增加到85.7％，双层复合材料的Seebeck系数几乎保持恒定，在300K时Seebeck系数约为80μV/K；当银的质量分数升至87.5％时，双层复合材料的Seebeck系数下降到64μV/K（300K），使得双层复合材料的功率因子随着银含量的升高出现先升高后降低的趋势，最终双层复合材料（银的质量分数为85.7％）在360K时得到最高功率因子875μW/mK2。 (3)利用溶液3D打印技术制备聚乙烯醇/PEDOT:PSS柔性复合热电材料，结合XPS、SEM、热电性能测试等分析方法，研究水浴与DMSO浸泡等后处理对复合材料组成、微观结构、样品柔性和热电性能的影响规律；研究不同温度条件下复合材料的热电性能。聚乙烯醇/PEDOT:PSS复合热电材料经过水浴和DMSO后处理后，在300K时样品的电导率从96S/cm增加到1085S/cm，Seebeck系数从18μV/K增加到了20μV/K，功率因子从3μW/mK2提高到了45μW/mK2，最终样品在经过水浴与DMSO处理后得到最高功率因子50.2μW/mK2（345K）。并且水浴浸泡与DMSO浸泡后处理工艺并未降低样品的柔性，经过两步后处理工艺的样品在8.1mm曲率半径下弯曲300次后，其电阻变化率仅为1.7%。
复合热电材料;聚合物;3D打印;电导率;热电性能
上海应用技术大学
硕士
材料化学工程
杜永
2020
中文
TB341
2021-11-15（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）