深圳大学《AFM》：力学性能优异的聚合物热电复合材料

近十年来，聚合物热电复合材料在解决能源产生和利用方面取得了爆炸性的成就。除了在增强热塑性弹性体性能方面取得了重大进展外，高的力学性能也越来越受到人们的重视，其在复杂环境下的实际应用具有重要意义。然而，机械性能的提高总是以牺牲热电（TE）性能为代价的，反之亦然，这构成了巨大的挑战。

来自深圳大学的学者报道了以聚(3，4-乙二氧基噻吩)：聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT：PSS)、聚乙烯醇(PVA)和单壁碳纳米管(SWCNTs)为基体，在离子液体(IL)辅助下制备同时具有高TE和高力学性能的聚合物TE复合材料的柔性薄膜。该复合材料具有较高的TE性能，室温功率因数为106.1±8.2Wm1K2，具有较强的力学稳定性，拉伸模量为4.2±0.5 GPa，断裂强度为136.5±10.6 MPa。

图1|柔性TE复合材料的原料、制备和红外光谱的化学结构。A)PEDOT的化学结构：PSS、IL和PVA。B)IL复合薄膜制备程序示意图。C)IL复合材料、无IL复合材料和IL的FTIR光谱。

图2.IL复合体和无IL复合体的典型扫描电镜图像比较。a，b)SWCNT含量为30wt%。c，d)SWCNT含量为60wt%。e，f)SWCNT含量为90wt%。单壁碳纳米管束直径的统计分析显示在每个左侧扫描电镜图像的右侧。

图3.IL和无IL复合材料的TE性能。a)IL复合材料(SWCNT含量为60wt%)的TE性能对IL含量的依赖关系。b-d)无IL和IL复合材料的TE性能对SWCNT含量的依赖性。IL含量与PEDOT：PSS、PVA和SWCNT的固体含量有关，因此不计入SWCNT或其他聚合物组分的固体百分比。

图4.原子力显微镜图像和拉曼光谱。a，a‘)原始PEDOT：PSS胶片的AFM图像。b，b‘)PEDOT：含50wt%IL的PSS微球。c，c‘)无IL复合材料。d，d‘)IL复合物。高度图像：(a-d)；相位图像：(a‘-d’)。e)从每个高度图像中获得粗糙度值。f)原始PEDOT：PSS、IL含量为50wt%的PEDOT：PSS、原始SWCNT、无IL复合材料和IL复合材料的拉曼光谱。

图5.TE材料的力学性能以及已报道的TE材料与TE材料的力学性能的比较。A)SWCNT含量为45%和60wt%的PEDOT：PSS薄膜、PEDOT：PSS/PVA薄膜、IL复合材料和无IL复合材料的典型应力-应变曲线。B)光学图像，显示了SWCNT含量为60wt%的IL复合材料的高机械稳定性。C)IL在提高界面强度中的作用示意图。D)单壁碳纳米管在断口表面颤动的扫描电镜图像。E)比较了IL复合材料与其他TE材料的TE和力学性能。

图6| IL复合材料的柔韧性和TE稳定性。A)含60wt%SWCNTs的IL复合材料柔性薄膜的光学照片。B)TE特性作为弯曲时间的函数。C，D)TE性质作为重量的函数，在卸载样品并静置C)30min和D)2天之后收集数据。

综上所述，本文成功地制备了含IL的PEDOT：PSS/PVA/SWCNT柔性复合材料。除了增强TE性能外，IL还通过在界面形成氢键使复合材料具有较高的力学性能。当单壁碳纳米管含量为60wt%时，得到的含IL的PEDOT：PSS/PVA/单壁碳纳米管的最大功率因数为106.1±8.2W m1K2。更重要的是，在此含量下，IL复合材料表现出优异的力学稳定性，拉伸模量为4.2±0.5 GPa，断裂强度为136.5±10.6 MPa，远远高于其他TE材料。此外，在共混或机械加载条件下，IL复合材料表现出力学稳定和自恢复的TE特性。本研究为PEDOT：PSS基TE复合材料在几乎不影响TE性能的情况下获得较高的力学性能提供了一条有效的途径。这可能有助于解决其他CPS基复合材料力学性能较差的难题，从而拓宽柔性TE复合材料的广泛应用。