近十年來，聚合物熱電覆合材料在解決能源產生和利用方面取得了爆炸性的成就。除了在增強熱塑性彈性體效能方面取得了重大進展外，高的力學效能也越來越受到人們的重視，其在複雜環境下的實際應用具有重要意義。然而，機械效能的提高總是以犧牲熱電（TE）效能為代價的，反之亦然，這構成了巨大的挑戰。
來自深圳大學的學者報道了以聚(3，4-乙二氧基噻吩)：聚苯乙烯磺酸鹽(PEDOT：PSS)、聚乙烯醇(PVA)和單壁碳奈米管(SWCNTs)為基體，在離子液體(IL)輔助下製備同時具有高TE和高力學效能的聚合物TE複合材料的柔性薄膜。該複合材料具有較高的TE效能，室溫功率因數為106.1±8.2µWm−1K−2，具有較強的力學穩定性，拉伸模量為4.2±0.5 GPa，斷裂強度為136.5±10.6 MPa。在現有文獻中，它是已知的最堅固的TE複合材料，具有如此高的功率因數。本研究為在不影響TE效能的前提下解決TE複合材料力學效能較差這一長期棘手的問題提供了一條有希望的途徑。相關文章以“Mechanically Robust and Flexible Films of Ionic Liquid Modulated Polymer Thermoelectric Composites”為題發表在Advanced Functional Materials。
論文連結：
https://doi.org/10.1002/adfm.202104836
圖1|柔性TE複合材料的原料、製備和紅外光譜的化學結構。A)PEDOT的化學結構：PSS、IL和PVA。B)IL複合薄膜製備程式示意圖。C)IL複合材料、無IL複合材料和IL的FTIR光譜。
圖2.IL複合體和無IL複合體的典型掃描電鏡影象比較。a，b)SWCNT含量為30wt%。c，d)SWCNT含量為60wt%。e，f)SWCNT含量為90wt%。單壁碳奈米管束直徑的統計分析顯示在每個左側掃描電鏡影象的右側。
圖3.IL和無IL複合材料的TE效能。a)IL複合材料(SWCNT含量為60wt%)的TE效能對IL含量的依賴關係。b-d)無IL和IL複合材料的TE效能對SWCNT含量的依賴性。IL含量與PEDOT：PSS、PVA和SWCNT的固體含量有關，因此不計入SWCNT或其他聚合物組分的固體百分比。
圖4.原子力顯微鏡影象和拉曼光譜。a，a‘)原始PEDOT：PSS膠片的AFM影象。b，b‘)PEDOT：含50wt%IL的PSS微球。c，c‘)無IL複合材料。d，d‘)IL複合物。高度影象：(a-d)；相點陣圖像：(a‘-d’)。e)從每個高度影象中獲得粗糙度值。f)原始PEDOT：PSS、IL含量為50wt%的PEDOT：PSS、原始SWCNT、無IL複合材料和IL複合材料的拉曼光譜。
圖5.TE材料的力學效能以及已報道的TE材料與TE材料的力學效能的比較。A)SWCNT含量為45%和60wt%的PEDOT：PSS薄膜、PEDOT：PSS/PVA薄膜、IL複合材料和無IL複合材料的典型應力-應變曲線。B)光學影象，顯示了SWCNT含量為60wt%的IL複合材料的高機械穩定性。C)IL在提高介面強度中的作用示意圖。D)單壁碳奈米管在斷口表面顫動的掃描電鏡影象。E)比較了IL複合材料與其他TE材料的TE和力學效能。
圖6| IL複合材料的柔韌性和TE穩定性。A)含60wt%SWCNTs的IL複合材料柔性薄膜的光學照片。B)TE特性作為彎曲時間的函式。C，D)TE性質作為重量的函式，在解除安裝樣品並靜置C)30min和D)2天之後收集資料。
綜上所述，本文成功地製備了含IL的PEDOT：PSS/PVA/SWCNT柔性複合材料。除了增強TE效能外，IL還透過在介面形成氫鍵使複合材料具有較高的力學效能。當單壁碳奈米管含量為60wt%時，得到的含IL的PEDOT：PSS/PVA/單壁碳奈米管的最大功率因數為106.1±8.2µW m−1K−2。更重要的是，在此含量下，IL複合材料表現出優異的力學穩定性，拉伸模量為4.2±0.5 GPa，斷裂強度為136.5±10.6 MPa，遠遠高於其他TE材料。此外，在共混或機械載入條件下，IL複合材料表現出力學穩定和自恢復的TE特性。本研究為PEDOT：PSS基TE複合材料在幾乎不影響TE效能的情況下獲得較高的力學效能提供了一條有效的途徑。這可能有助於解決其他CPS基複合材料力學效能較差的難題，從而拓寬柔性TE複合材料的廣泛應用。（文：SSC）
本文來自微信公眾號“材料科學與工程”。歡迎轉載請聯絡，未經許可謝絕轉載至其他網站。
