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皇冠正网(www.hg108.vip):科学家找到了能够改善热电性能的碳纳米管

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研究人员通过研究含有单一和混合碳纳米管填料的聚合物复合材料的载流子动力学,能够改善热电性能。


多年来,碳纳米管已经引起了科学家们的广泛关注。开发用于将废热转化为电能的增强热电(TE)纳米复合材料的可行方法包括,将CNT结合到合适的固有导电(ICP)或非导电(特别是热塑性)聚合物中。



为了改善这些产生的熔融混合TE聚合物复合膜的性能,已经使用了多壁CNT(mwc nts)、单壁CNT(SW CNT)和硼或氮掺杂的CNT。根据复合材料的预期应用,文献中描述了一系列热塑性聚合物基质来生产这种TE材料。


值得注意的是,这些年来已经使用除了CNT之外的材料开发了具有先进技术和更高性能的TE拓扑。与此同时,碳纳米管的瞬态激子动力学一直是过去十年中众多研究的焦点。特别是,使用超快激光的时间分辨瞬态吸收光谱(TAS)是一种非常好的工具,可以在皮秒时间尺度内研究单壁碳纳米管中激子产生和自由电荷载流子转移的过程。


根据使用时间分辨光谱的研究,在单壁碳纳米管内部发生的所有形式的激子反应都显示出许多皮秒长的复合时间。然而,迄今为止,对CNT填料类型和浓度对瞬态激子动力学的影响以及因此对基于聚合物的复合材料系统的TE性能的影响的研究,尤其是系统的相关性是有限的,尽管这两者都被认为是至关重要的。



在这项研究中,作者讨论了一系列复合材料的开发,这些复合材料基于聚碳酸酯(PC)和聚醚醚酮(PEEK)聚合物基体,通过小规模熔融混合使用单一和混合CNT填料。将混合填料体系的使用与PC中包含单一填料进行比较,在相同的加载量下获得了更大的塞贝克系数和相当的电导率。相比之下,具有混合填料体系的PEEK复合材料可以获得比具有单一填料的复合材料更好的功率因数。


该团队使用超快激光时间分辨瞬态吸收光谱集中检查了PC基复合材料,以研究激子寿命和薄膜内自由电荷载流子跃迁的物理原因。

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这项研究的结果显示了测量的电荷载流子动力学和TE参数之间的有趣关系。特别地,发现复合材料的体积电导率主要受较高能态下自由电荷电子的平均数和迁移率的影响,而与激子寿命无关。相反,复合材料的塞贝克系数与激子寿命直接相关。


研究人员创造了多种TE复合材料,由PC和PEEK与单一填料和混合填料CNT熔融混合制成。使用显微技术来表征所得薄膜,并且根据塞贝克系数和电体积电导率来评估它们的热电转换效率。此外,霍尔测量用于研究单一和混合碳纳米管复合材料系统中电荷载流子的迁移率。使用超快激光时间分辨TAS充分研究了所得PC/CNT复合材料的激子动力学和相关的载流子寿命。


通过显示TE转换效率如何与集成CNT的激子性质相关联,这项工作的结果提供了效率的物理原因的线索。具体而言,研究表明,单一填料和混杂填料复合材料的塞贝克系数与CNT的激子寿命直接相关,而基本上与主体聚合物中CNT的浓度无关。


单填料和混杂填料体系的电导率、塞贝克系数和功率因数主要受碳纳米管种类的影响。S值的大小受聚合物种类的影响,尽管取决于CNT类型的总体趋势是恒定的。聚合物的类型,特别是它是无定形的还是半结晶的,会影响PF,因为它有助于导电网络的发展。


本研究阐述了通过熔融混合开发一系列单一填料和混合填料聚合物复合膜,以评估填料对te性能的影响。聚合物基质与PC和PEEK一起使用。用超快激光时间分辨TAS研究了PC基聚合物。


对激子寿命、动力学和自由电荷载流子复合的彻底研究产生了关于所用CNT填料对TE参数的影响的新知识。


结果表明,所得带电激子持续时间与te参数塞贝克系数S密切相关。PC基混杂填料和单一填料复合材料的S值与激子寿命呈近似线性相关性,激子持续时间越长,S值越大。发现电导率σ(TE的第二参数)主要与复合膜内部的电子迁移率相关。


这项工作的结果为创造复杂的te聚合物复合结构打开了大门,并表明TAS是检查TE能量收集材料中载流子动力学的有效方法。


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网友评论

  • 2022-09-17 00:27:19

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