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摘 要

热电材料,是能够实现热能和电能之间直接转换的特殊功能材料,在温差致冷和温差发电方面都具有重要的应用前景。目前研究的热电材料,绝大多数均为无机半导体,原料昂贵,并且加工困难,热电性能提高相对困难。与无机半导体热电材料相比,导电聚合物不仅原料丰富、加工简单,而且热导率极低,是目前热电材料研究的热点。

聚苯胺（PANI）由于具有低热导率，易合成加工等突出优点，被认为是最具有应用前景的聚合物热电材料之一，但目前聚苯胺的热电转换效率仍偏低。所以,如何改善导电聚合物的Seebeck系数和电导率己成为提高导电聚合物热电性能的关键问题。

导电聚合物中聚苯胺结构多样化,具有良好的稳定性,是研究最多的聚合物热电材料。本文以聚苯胺及其复合材料为主要研究对象,研究了质子酸掺杂和碳黑复合对聚苯胺热电性能的影响。

主要研究内容如下:

1. 通过原位聚合法制备本征态聚苯胺,采用无机质子酸(盐酸)对本征态聚苯胺进行掺杂,探讨了质子酸掺杂的机制。

（2）通过与无机材料的复合,制备聚苯胺/碳黑复合材料,对复合材料的热电性能进行研究。

关键词：热电性能、聚苯胺、掺杂、炭黑

PREPARATION AND THERMOELECTRICAL PERFORMANCE

OF POLYANILINE NANOCOMPOSITES

ABSTRACT

Thermoelectric (TE) materials can be applied in thermoelectric power generators and Peltier coolers because of the direct conversion between thermal and electrical energy. The inorganic semiconductor as TE materials are used only in specialized area due to their low conversion efficiency, high cost and poor processability in thermoelectric system. Compared with inorganic semiconductor, conducting polymers possess several attractive features because of the low thermalconductivity and low cost derived from available resources and easy synthesis.

Thermoelectric materials is able to realize heat and power to direct conversion of special functional materials, thermoelectric cooling and thermoelectric power generation has important application prospect. At present, most of the thermoelectric materials are inorganic semiconductors, the material is expensive, and the processing is difficult, the thermoelectric performance is difficult to improve

The structure of Polyaniline in the conducting polymer is varied, and has good stability, and is the most studied polymer thermoelectric material.. The conducting polymer polyaniline and its composite materials as the main object of study of effects of protonic acid doping and carbon black compound on the thermoelectric properties of polyaniline.

Keywords: polyaniline, thermoelectric effect, carbon black

目 录

摘 要 I

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1引言 1

1.2热电理论基础 2

1.2.1热电效应 2

1.2.2热电表征参数 3

1.2.3应用原理 4

1.3聚合物基热电材料 5

1.3.1聚合物基体 5

1.3.2 填料 6

1.3.3存在问题和发展前景 7

1.4聚苯胺复合材料 7

1.4.1 聚苯胺的结构 7

1.4.2聚苯胺的制备方法 8

1.4.3聚苯胺的掺杂 8

1.4.4聚苯胺热电材料研究进展 10

1.5本课题的选题意义及研究的主要内容 12

第二章 实验方法

2.1 实验试剂 13

2.2 实验仪器 13

2.3 样品制备 14

第三章聚苯胺热电材料性能研究

3.1质子酸掺杂聚苯胺的影响 15

3.2碳黑含量对聚苯胺的影响 15

第四章 结论

参考文献 18

致谢 20

第一章 绪论

1.1引言

随着工业化进程的加快,全球性的环境恶化和能源危机正严重威胁着社会的长期发展,环境与能源问题日益突出，人们迫切需要寻找新型绿色的能源取代传统化石燃料。余热发电这种热电转化技术因其使用范围广、清洁安全、符合环保要求而得到世界各国的密切关注。热电材料是一种新能源半导体功能材料，是余热发电技术的核心，该材料可以通过固体内部载流子实现在电能和热能之间的相互转换。因此,热电材料在发电方面的潜在应用成为研究热点。

热电材料,也称为温差热电材料,是一类能够实现热能和电能之间直接转换的特殊功能材料,应用包括热电发电和热电致冷两个方面。材料的热电性能与三个参数有关:Seebeck系数a、电导率σ和热导率k。Seebeck系数是保证材料有热电效应的最根本参数;同时材料还应有较小的热导率,使接头两端的温差得以保持;另外,材料还应有较小的电阻,使产生的焦耳热最小。因此,均质热电材料的性能由这三个指标决定。温差热电优值Z代表材料的整体热电性能,Z=a²σ/K(量纲为K-1),也通常用无量纲优值ZT来表示。

由于热电材料制作的器件具有体积小、无噪音、使用寿命长、免维护等突出优点,因此在温差热电致冷和温差发电方面都具有重要的应用前景^[1,2],而且热电材料作为特殊的电源以及高精度温控器件，在空间技术、军事装备、IT技术等高新技术领域获得了广泛应用。然而,目前研究和使用的热电材料绝大多数为无机半导体,原料价格昂贵、加工困难，并且，目前的无机热电材料一般适用于高温和中温,低温无机热电材料可选种类较少,这些都极大的限制了热电材料的产业化发展。近年来,随着有机导电材料研究的迅猛发展,有机热电材料作为一种潜在的新型低温热电材料越来越引人注目。

1.2热电理论基础

1.2.1热电效应

热电效应可使热电材料实现热能和电能之间的相互转换，主要包括：Seebeck效应、Peltier 效应和Thomson效应，同时分别对应于 Seebeck 系数、Peltier 系数和Thomson 系数,这三个系数通过 Kelvin 关系式紧密联系^[3]。

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