由导电聚合物构成的复合热电材料制造技术

一种由常规导电聚合物构成的复合热电材料及pn结叠层型热电转换装置。其p‑型导电层由P3HT与PVDF混合构成，n‑型导电层由PANI及PVDF混合构成，p‑型和n‑型导电层之间由PVDF聚合物绝缘层进行隔离。该种pn结叠层型热电转换装置由喷涂法制备，制备工艺简单、成本低廉。

【技术实现步骤摘要】
由导电聚合物构成的复合热电材料
本专利技术涉及一种由导电聚合物构成的复合热电材料，即pn结叠层型热电转换装置。在一定条件下，该种特殊热电材料（装置）提供的电能可应用在各种微机电系统和微纳器件供电电源及其它微电源应用领域。
技术介绍
热电材料是一种能够实现电能与热能之间相互转换的功能材料，它可提供一种既清洁又安全的发电方式，具有广泛的应用前景。目前热电材料存在的问题是其热电转换效率仍较低、价格昂贵及发电装置制造工艺复杂。热电材料的热电转换效率可用热电优值ZT来表征，，这里，为电导率,为导热系数，为塞贝克(Seebeck)系数，T为绝对温度。由ZT的表达式可以看出，要提高材料的热电转换效率，应选用同时具有较大电导率和尽可能低的热导率的热电材料。但事实上，在一定温度下，决定ZT值的3个因子都是载流子浓度的函数，是相互关联的，不可能同时使它们得到优化，这是目前妨碍热电材料性能进一步提高的主要原因。目前，制造具有较高ZT值的热电物质仍是比较困难及昂贵的。如最常用的无机Bi2Te3和Bi2Se3热电材料的制造成本耗时且昂贵，并对环境还有污染。此外，由于制造要求和耐受性的要求，也限制了一些热电材料在各种热收集和发电装置中的应用。近年来,随着导电聚合物研究的不断深入，世界各国研究者开展了一系列利用各类导电聚合物制备新型有机复合热电材料及发电装置的研究工作。因导电聚合物具有较好的电导率及力学性能、较低的导热系数等特点，通过复合优化，导电聚合物就有可能取代传统的半导体、金属及超导等材料，成为最优秀的热电材料。通过导电聚合物热电材料设计开发的各种发电装置，有望应用于微机电系统或微电子器件供电电源及其他领域。
技术实现思路
为进一步提高现有聚合物热电复合材料的热电功率因子，提高其热电优值ZT，也为了解决目前有机复合热电材料价格昂贵、生产、制造成本较高的问题，本专利技术的目的是提供了一种价格低、制造简单的导电聚合物复合热电材料，并利用这种特殊的组合构建出了可实用化的热电转换装置。本专利技术所述的由导电聚合物构成的pn结型复合热电材料，包括衬底材料，在衬底材料层上喷涂由PANI与PVDF混合而成的n-型导电层，n-型导电层按如下方法制备：将PANI和PVDF粉末混合后倒入一定比例的N-甲基吡咯烷酮溶剂中，经强力超声搅拌混合，后放入90℃烘箱中烘焙，待60%的N-甲基吡咯烷酮溶剂蒸发后，混合液变成胶状液体，采用喷涂工艺在衬底材料上喷涂，构成厚度为0.01-0.1mm的n-型导电层；PANI的用量占PANI和PVDF质量总和的75%～90%，N-甲基吡咯烷酮的用量与PANI和PVDF混合物的总质量相同；然后在制备的n-型导电层上再喷涂由PVDF构成的绝缘隔离层，绝缘隔离层按如下方法制备：将PVDF聚合物粉末溶于N-甲基吡咯烷酮溶剂中，经强力超声搅拌混合后，在90℃烘箱中烘焙，待60%的N-甲基吡咯烷酮溶剂蒸发后，混合体将变成胶状粘性液体，利用喷涂工艺在n-型导电层上喷涂，制备出绝缘隔离层，绝缘隔离层厚度为0.01-0.1mm；制备绝缘隔离层时，PVDF聚合物粉末与N-甲基吡咯烷酮的质量比为1︰3；最后，在绝缘隔离层上喷涂有p-型导电层，p-型导电层按如下方法制备：将一定比例的PVDF粉末混入N-甲基吡咯烷酮溶剂中，强力超声搅拌，待充分溶解后，倒入P3HT粉末，继续强力超声搅拌均匀，放入90℃烘箱中烘焙，待60%的N-甲基吡咯烷酮溶剂蒸发后，混合体将变成胶状粘性液体，采用喷涂工艺在绝缘隔离层上喷涂，制备出p-型导电涂层，涂层厚度为0.01-0.1mm；所述的P3HT用量占P3HT和PVDF质量总和的75%～90%，PVDF聚合物粉末与N-甲基吡咯烷酮的质量比为1︰5；相邻的p-型导电层和n-型导电层只在一端相互连接。所述的p-型导电层、n-型导电层和绝缘隔离层为多层结构。所述的PANI、P3HT、PVDF聚合物均为工业级用品。n-型导电层、p-型导电层及位于中间的绝缘隔离层形成的基本单元交叠重复配置，通过串和/或并联方式为外部系统供电。本专利技术的由导电聚合物构成的复合热电材料（电热发电装置）是由不同导电类型的导电聚合物涂层堆叠组合而成的，在实施方式中，导电聚合物涂层堆叠结构至少包括一个n-型层、一个p-型层构成的pn结，以及至少部分设置在p-型层和n-型层之间的绝缘隔离层组合而成。该种导电聚合物复合热电材料具有结构简单、生产成本低、易于制造的优点，热电特性足以满足各种微机电系统和微纳器件供电电源及其它微电源应用领域的实际要求。本专利技术所述的n-型导电层、p-型导电层及位于中间的绝缘隔离层形成的基本单元可通过将不同聚合物混合后，溶于对导电聚合物材料特性无其他影响的有机溶剂，并采用喷涂法，将不同导电类型复合聚合物喷涂在不同基片上完成，另外，在制造各种热电装置实施方式中，每个由一个pn结，以及至少部分设置在p-型层和n-型层之间的绝缘隔离层组合而成的热电基本结构可堆叠构型排列，也可根据需要组成任何串、并联结构。本专利技术的导电聚合物复合热电材料的具体有益效果如下：1.本专利技术的n-型涂层材料直接利用工业级的PANI和PVDF聚合物材料，在满足导电要求的条件下，不但降低了制造成本，而且通过在导电聚合物PANI中引入PVDF后，可进一步降低复合材料的热导率，有利于热电优值的提高。2.本专利技术的p-型涂层材料直接利用工业级P3HT和PVDF聚合物复合构成，P3HT具有天然的p-型导电特性和环境稳定性，通过与n-型层在一端的连接，构成pn结，提高了电子的传输转移效率和热电转换效率。3.本专利技术所述的p-型和n-型层交叠的设计结构，在外界温差作用下，可使载流子在p-型和n-型层交替流动，可进一步增加导电载流子的输运密度计效率，提高了对声子的散射截面，显著提高了材料的热电优值。4.本专利技术所述的pn结基本单元可利用中间绝缘隔热层隔离，以串并联构成回路，可获得更大的温差电动势或电流，为外部系统供电。5.本专利技术所述的n-型和p-型热电涂层可喷涂在任何有机柔性材料及衬底表面，材料可折叠弯曲，材料比重轻、价格低、易制备、可广泛应用于新型微机电体系、余热发电及器件的供电电源中。6.本专利技术所采用的材料全部为有机高分子聚合物，可代替传统的商业化的Bi2Te3等无机热电材料，极大的降低了制造成本，减少了环境污染，且资源丰富，易合成、易加工、尺寸可任意设计，与现有的由价格昂贵的其他纳米材料制备的热电材料相比有更广阔的应用前景。7.实验与测试结果表明，尺寸为80×20mm的一组pn结叠层构造组成的热电器件，在附图1中高低温热源温度梯度为90摄氏度条件下，输出的开路热电势约为1.0伏特。附图说明图1是本专利技术的导电聚合物复合热电材料基本结构单元及热电特性侧面图。具体实施方式如图1所示：其中（1）为PANI/PVDF混合后利用喷涂工艺制备的n-型导电层；（2）为P3HT/PVDF混合后利用喷涂工艺制备的p-型导电层；（3）为PVDF构成的绝缘隔离层；（4）为衬底材料；（5）为低温热源；（6）为高温热源；（7）为测量热电特性导线；（8）为电压表。本专利技术的导电聚合物复合热电材料包括有机聚合物衬底材料（4），在有机聚合物衬底材料（4）上喷涂由PANI、PVDF混合而成的n-型导电层（2）；在导电层（2本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种由导电聚合物构成的复合热电材料，其特征在于：包括衬底材料（4），在衬底材料层（4）上喷涂由PANI与PVDF混合而成的n‑型导电层（2），n‑型导电层（2）按如下方法制备：将PANI和 PVDF粉末混合后倒入一定比例的N‑甲基吡咯烷酮溶剂中，经强力超声搅拌混合，后放入90℃烘箱中烘焙，待60 % 的N‑甲基吡咯烷酮溶剂蒸发后，混合液变成胶状液体，采用喷涂工艺在衬底材料（4）上喷涂，构成厚度为0.01‑0.1mm的n‑型导电层（2）；PANI的用量占 PANI和PVDF质量总和的75%～90%，N‑甲基吡咯烷酮的用量与PANI和PVDF混合物的总质量相同；然后在制备的n‑型导电层（2）上再喷涂由PVDF构成的绝缘隔离层（3），绝缘隔离层（3）按如下方法制备：将PVDF聚合物粉末溶于N‑甲基吡咯烷酮溶剂中，经强力超声搅拌混合后，在90℃烘箱中烘焙，待60 % 的N‑甲基吡咯烷酮溶剂蒸发后，混合体将变成胶状粘性液体，利用喷涂工艺在n‑型导电层（2）上喷涂，制备出绝缘隔离层（3），绝缘隔离层（3）厚度为0.01‑0.1mm；制备绝缘隔离层（3）时，PVDF聚合物粉末与N‑甲基吡咯烷酮的质量比为1︰3；最后，在绝缘隔离层（3）上喷涂有p‑型导电层（1），p‑型导电层（1）按如下方法制备：将一定比例的PVDF粉末混入N‑甲基吡咯烷酮溶剂中，强力超声搅拌，待充分溶解后，倒入P3HT粉末，继续强力超声搅拌均匀，放入90℃烘箱中烘焙，待60%的N‑甲基吡咯烷酮溶剂蒸发后，混合体将变成胶状粘性液体，采用喷涂工艺在绝缘隔离层（3）上喷涂，制备出p‑型导电涂层（1），涂层厚度为0.01‑0.1mm；所述的P3HT用量占P3HT和PVDF质量总和的75%～90%，PVDF聚合物粉末与N‑甲基吡咯烷酮的质量比为1︰5。...

【技术特征摘要】
1.一种由导电聚合物构成的复合热电材料，其特征在于：包括衬底材料（4），在衬底材料层（4）上喷涂由PANI与PVDF混合而成的n-型导电层（2），n-型导电层（2）按如下方法制备：将PANI和PVDF粉末混合后倒入一定比例的N-甲基吡咯烷酮溶剂中，经强力超声搅拌混合，后放入90℃烘箱中烘焙，待60%的N-甲基吡咯烷酮溶剂蒸发后，混合液变成胶状液体，采用喷涂工艺在衬底材料（4）上喷涂，构成厚度为0.01-0.1mm的n-型导电层（2）；PANI的用量占PANI和PVDF质量总和的75%～90%，N-甲基吡咯烷酮的用量与PANI和PVDF混合物的总质量相同；然后在制备的n-型导电层（2）上再喷涂由PVDF构成的绝缘隔离层（3），绝缘隔离层（3）按如下方法制备：将PVDF聚合物粉末溶于N-甲基吡咯烷酮溶剂中，经强力超声搅拌混合后，在90℃烘箱中烘焙，待60%的N-甲基吡咯烷酮溶剂蒸发后，混合体将变成胶状粘性液体，利用喷涂工艺在n-型导电层（2）上喷涂，制备出绝缘隔离层（3），绝缘隔离层（3）厚度为0.01-0.1mm；制备绝缘隔离层（3）时，PVDF聚合物粉末与N-甲基吡咯烷酮的质量比为1︰3；最后，在绝缘隔离层（3）上喷涂有p-型导电层（1）...

【专利技术属性】
技术研发人员：李梦轲，张彤，付洪波，张楠，刘玲毓，孙洁婷，许宁宁，李婷婷，冯秋菊，
申请(专利权)人：辽宁师范大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21