兼具优异热电和力学性能的聚合物复合材料薄膜 npj Flexible Electronics

来源：Nature自然科研

热电材料作为一种可实现热能与电能直接相互转化的能源材料，具有无噪音、无震动、无气体排放等优点，是近年研究热点之一。目前，研究的有机高分子热电材料主要是共轭型导电高分子，如聚苯胺（PANI）、聚3,4-乙烯二氧噻吩（PEDOT）、聚吡咯(PPy)和聚3-己基聚噻吩(P3HT)等，这类材料通常表现出不佳的机械力学性能（如拉伸性能）。同时，力学性能良好的热塑性聚合物因自身不具有热电性能而很少应用到热电领域。因此，如何获得兼有优异机械力学性能和热电性能是目前的研究难点之一。近日， 深圳大学陈光明教授课题组利用单壁碳纳米管（SWCNT）在热塑性聚合物聚碳酸酯（PC）中取向，制备出兼具力学性能的复合热电材料，相关工作在npj Flexible Electronics上发表，题为“Toward improved trade-off between thermoelectric and mechanical performances in polycarbonate/single-walled carbon nanotube composite films”。

该研究分别以SWCNT和PC为填料和基体，采用热压薄膜的方法制备SWCNT取向的PC/a-SWCNT复合材料薄膜。为了使PC熔体在挤压作用下尽量充分流动，该研究未采用通常使用的压缩模具。该方法可以获得近似圆形的薄膜样品，在靠近样品边缘部分，SWCNT呈现出明显取向排列。为深入研究SWCNT的取向作用，对比了采用溶液浇注-挥发法制备的SWCNT无规分布的PC/r-SWCNT复合材料薄膜的热电性能。图1展示了PC/a-SWCNT（取向和垂直方向）和PC/r-SWCNT复合材料薄膜的热电性能，结果表明，PC/a-SWCNT复合材料沿着SWCNT取向方向的热电性能明显高于其垂直方向和PC/r-SWCNT复合材料的热电性能。PC/a-SWCNT复合材料薄膜在平行方向的最高热电性能为4.8 ± 0.8 μW m-1 K-2，高于大多数目前报道的以绝缘热塑性聚合物为基体的复合热电材料，并且可以与部分掺杂PPy和P3HT热电材料性能相媲美。

图1. PC/a-SWCNT（取向和垂直方向）和PC/r-SWCNT复合材料薄膜热电性能

图2比较了PC/a-SWCNT、PPy/SWCNT复合材料薄膜和掺杂P3HT的热电性能与力学性能（主要为拉伸模量和断裂强度）。PC/a-SWCNT复合材料除了高的热电性能外，还具有优异的力学性能。这表明通过控制SWCNT在PC中的取向，复合材料可以兼具高的热电和力学性能。该方法可推广到其他非共轭聚合物和共轭型导电聚合物体系，有望解决力学性能和热电性能棘手的平衡问题。

图2. PC/a-SWCNT、PPy/SWCNT复合材料和掺杂P3HT的热电及力学性能比较

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npjflexelectron | doi:10.1038/s41528-020-00089-2

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