深圳大學《AFM》：力學性能優異的聚合物熱電復合材料

近十年來，聚合物熱電復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性能方面取得了重大進展外，高的力學性能也越來越受到人們的重視，其在復雜環境下的實際應用具有重要意義。然而，機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和高力學性能的聚合物TE復合材料的柔性薄膜。該復合材料具有較高的TE性能，室溫功率因數為106.1±8.2Wm1K2，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。

圖1|柔性TE復合材料的原料、制備和紅外光譜的化學結構。A)PEDOT的化學結構：PSS、IL和PVA。B)IL復合薄膜制備程序示意圖。C)IL復合材料、無IL復合材料和IL的FTIR光譜。

圖2.IL復合體和無IL復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計分析顯示在每個左側掃描電鏡圖像的右側。

圖3.IL和無IL復合材料的TE性能。a)IL復合材料(SWCNT含量為60wt%)的TE性能對IL含量的依賴關系。b-d)無IL和IL復合材料的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，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復合材料。d，d‘)IL復合物。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復合材料和IL復合材料的拉曼光譜。

圖5.TE材料的力學性能以及已報道的TE材料與TE材料的力學性能的比較。A)SWCNT含量為45%和60wt%的PEDOT：PSS薄膜、PEDOT：PSS/PVA薄膜、IL復合材料和無IL復合材料的典型應力-應變曲線。B)光學圖像，顯示了SWCNT含量為60wt%的IL復合材料的高機械穩定性。C)IL在提高界面強度中的作用示意圖。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復合材料與其他TE材料的TE和力學性能。

圖6| IL復合材料的柔韌性和TE穩定性。A)含60wt%SWCNTs的IL復合材料柔性薄膜的光學照片。B)TE特性作為彎曲時間的函數。C，D)TE性質作為重量的函數，在卸載樣品并靜置C)30min和D)2天之后收集數據。

綜上所述，本文成功地制備了含IL的PEDOT：PSS/PVA/SWCNT柔性復合材料。除了增強TE性能外，IL還通過在界面形成氫鍵使復合材料具有較高的力學性能。當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為106.1±8.2W m1K2。更重要的是，在此含量下，IL復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，遠遠高于其他TE材料。此外，在共混或機械加載條件下，IL復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復合材料在幾乎不影響TE性能的情況下獲得較高的力學性能提供了一條有效的途徑。這可能有助于解決其他CPS基復合材料力學性能較差的難題，從而拓寬柔性TE復合材料的廣泛應用。