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我國科學(xué)家研發(fā)出新型高性能聚合物熱電材料

  高性能聚合物熱電材料研究取得新進展。記者25日從中國科學(xué)院化學(xué)研究所獲悉,來自該所等單位的科研人員研發(fā)出新型高性能聚合物熱電材料——PMHJ薄膜。相對于普通聚合物薄膜,PMHJ薄膜有望大幅提升材料的熱電性能,為高性能塑料基熱電材料研究提供了全新思路。相關(guān)研究成果在線發(fā)表于《自然》雜志。

  碳元素可以與氫、氧、氮、磷、硫等元素形成化學(xué)鍵,從而構(gòu)建出各種有機分子,這些分子單體通過周期性的鍵合可以形成高分子量的聚合物。目前,人工合成的聚合物,尤其是塑料,已經(jīng)成為人們?nèi)粘I詈透呖萍碱I(lǐng)域不可缺少的材料。

  導(dǎo)電聚合物不但具有和傳統(tǒng)塑料類似的柔性、易加工性和低成本等特點,還可以通過分子設(shè)計和化學(xué)摻雜攜帶電荷,從而表現(xiàn)出導(dǎo)電性。更為神奇的是,很多導(dǎo)電聚合物可以作為熱電材料。也就是說,當(dāng)聚合物薄膜兩端的溫度出現(xiàn)高低差時,材料兩端就會產(chǎn)生電動勢(塞貝克效應(yīng));而當(dāng)在材料兩端構(gòu)建導(dǎo)電回路并施加電壓時,導(dǎo)電塑料薄膜的兩端也會產(chǎn)生溫度差。

  高性能熱電材料應(yīng)具備高塞貝克系數(shù)、高電導(dǎo)率和低熱導(dǎo)率,而理想的模型就是“聲子玻璃-電子晶體”模型?!熬唧w來說,材料需要像玻璃一樣阻擋熱量(聲子)傳導(dǎo),但又像晶體一樣允許電荷自由移動,也就是讓聲子‘寸步難行’而讓電荷‘暢通無阻’?!笨蒲腥藛T解釋,科學(xué)界普遍認為,聚合物具有聲子玻璃特征,從而具有本征低熱導(dǎo)率。而實際上,很多高電導(dǎo)聚合物薄膜具有有序分子排列的結(jié)晶區(qū),和理想的“聲子玻璃”有很大差異,直接制約了聚合物熱電性能的提高。

  此次,科研人員利用兩種不同的聚合物,研發(fā)出具有不同結(jié)構(gòu)特征的PMHJ薄膜。該薄膜不但可以保證有效的電荷傳輸,同時可以高效散射聲子與類聲子傳播。

  在業(yè)內(nèi)專家看來,這項研究打破了現(xiàn)有高性能聚合物熱電材料不依賴熱輸運調(diào)控的認知局限,為塑料基熱電材料領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展提供了新路徑。

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