顆粒在線訊：近十年來，聚合物熱電復(fù)合材料在解決能源產(chǎn)生和利用方面取得了爆 炸性的成就。除了在增強(qiáng)熱塑性彈性體性能方面取得了重大進(jìn)展外，高的力學(xué)性能也越來越受到人們的重視，其在復(fù)雜環(huán)境下的實際應(yīng)用具有重要意義。然而，機(jī)械性能的提高總是以犧牲熱電（TE）性能為代價的，反之亦然，這構(gòu)成了巨大的挑戰(zhàn)。

來自深圳大學(xué)的學(xué)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)和單壁碳納米管(SWCNTs)為基體，在離子液體(IL)輔助下制備同時具有高TE和高力學(xué)性能的聚合物TE復(fù)合材料的柔性薄膜。該復(fù)合材料具有較高的TE性能，室溫功率因數(shù)為106.1±8.2μWm?1K?2，具有較強(qiáng)的力學(xué)穩(wěn)定性，拉伸模量為4.2±0.5 GPa，斷裂強(qiáng)度為136.5±10.6 MPa。在現(xiàn)有文獻(xiàn)中，它是已知的最堅固的TE復(fù)合材料，具有如此高的功率因數(shù)。本研究為在不影響TE性能的前提下解決TE復(fù)合材料力學(xué)性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(guān)文章以“Mechanically Robust and Flexible Films of Ionic Liquid Modulated Polymer Thermoelectric Composites”為題發(fā)表在Advanced Functional Materials。

論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202104836

圖1柔性TE復(fù)合材料的原料、制備和紅外光譜的化學(xué)結(jié)構(gòu)。A)PEDOT的化學(xué)結(jié)構(gòu)：PSS、IL和PVA。B)IL復(fù)合薄膜制備程序示意圖。C)IL復(fù)合材料、無IL復(fù)合材料和IL的FTIR光譜。

圖2.IL復(fù)合體和無IL復(fù)合體的典型掃描電鏡圖像比較。a，b)SWCNT含量為30wt%。c，d)SWCNT含量為60wt%。e，f)SWCNT含量為90wt%。單壁碳納米管束直徑的統(tǒng)計分析顯示在每個左側(cè)掃描電鏡圖像的右側(cè)。

圖3.IL和無IL復(fù)合材料的TE性能。a)IL復(fù)合材料(SWCNT含量為60wt%)的TE性能對IL含量的依賴關(guān)系。b-d)無IL和IL復(fù)合材料的TE性能對SWCNT含量的依賴性。IL含量與PEDOT：PSS、PVA和SWCNT的固體含量有關(guān)，因此不計入SWCNT或其他聚合物組分的固體百分比。

圖4.原子力顯微鏡圖像和拉曼光譜。a，a‘)原始PEDOT：PSS膠片的AFM圖像。b，b‘)PEDOT：含50wt%IL的PSS微球。c，c‘)無IL復(fù)合材料。d，d‘)IL復(fù)合物。高度圖像：(a-d)；相位圖像：(a‘-d’)。e)從每個高度圖像中獲得粗糙度值。f)原始PEDOT：PSS、IL含量為50wt%的PEDOT：PSS、原始SWCNT、無IL復(fù)合材料和IL復(fù)合材料的拉曼光譜。

圖5.TE材料的力學(xué)性能以及已報道的TE材料與TE材料的力學(xué)性能的比較。A)SWCNT含量為45%和60wt%的PEDOT：PSS薄膜、PEDOT：PSS/PVA薄膜、IL復(fù)合材料和無IL復(fù)合材料的典型應(yīng)力-應(yīng)變曲線。B)光學(xué)圖像，顯示了SWCNT含量為60wt%的IL復(fù)合材料的高機(jī)械穩(wěn)定性。C)IL在提高界面強(qiáng)度中的作用示意圖。D)單壁碳納米管在斷口表面顫動的掃描電鏡圖像。E)比較了IL復(fù)合材料與其他TE材料的TE和力學(xué)性能。

圖6 IL復(fù)合材料的柔韌性和TE穩(wěn)定性。A)含60wt%SWCNTs的IL復(fù)合材料柔性薄膜的光學(xué)照片。B)TE特性作為彎曲時間的函數(shù)。C，D)TE性質(zhì)作為重量的函數(shù)，在卸載樣品并靜置C)30min和D)2天之后收集數(shù)據(jù)。

綜上所述，本文成功地制備了含IL的PEDOT：PSS/PVA/SWCNT柔性復(fù)合材料。除了增強(qiáng)TE性能外，IL還通過在界面形成氫鍵使復(fù)合材料具有較高的力學(xué)性能。當(dāng)單壁碳納米管含量為60wt%時，得到的含IL的PEDOT：PSS/PVA/單壁碳納米管的最大功率因數(shù)為106.1±8.2μW m?1K?2。更重要的是，在此含量下，IL復(fù)合材料表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)穩(wěn)定性，拉伸模量為4.2±0.5 GPa，斷裂強(qiáng)度為136.5±10.6 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他TE材料。此外，在共混或機(jī)械加載條件下，IL復(fù)合材料表現(xiàn)出力學(xué)穩(wěn)定和自恢復(fù)的TE特性。本研究為PEDOT：PSS基TE復(fù)合材料在幾乎不影響TE性能的情況下獲得較高的力學(xué)性能提供了一條有效的途徑。這可能有助于解決其他CPS基復(fù)合材料力學(xué)性能較差的難題，從而拓寬柔性TE復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用。