CN106082730A - 一种氧化锌复合水泥基热电材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于热电材料领域，具体涉及一种高效水泥基热电材料及其制备方法。高效水泥基热电材料为在水泥中添加纳米级氧化锌粉体作为热电组分；其中，热电组分添加量占水泥质量的1％‑5％。本发明该高效水泥基热电材料养护28d后热电系数达到1500μv/℃以上。该高效水泥基热电材料热电性能高，制备方法简便，成本低，便于应用推广。

Description

一种氧化锌复合水泥基热电材料及其制备方法
技术领域
本发明属于热电材料领域，具体涉及一种高效水泥基热电材料及其制备方法。
背景技术
能源是人类活动的物质基础，人类社会的发展离不开优质能源的出现和先进能源技术的使用。考虑到化石能源的日益枯竭及其使用产生的环境问题，对于获取可持续、清洁能源的兴趣日益浓厚。热电材料可利用材料两端的温差直接将热能转化为电能，这一过程是通过热能激发材料内部载流子的定向运动实现的。用热电材料制作的元件具有绿色环保，运行时无噪音、免维护和安全可靠等优点，在利用太阳能及工业余热等一些低品位热源领域具有广泛的应用前景。
水泥基复合材料是目前应用最为广泛的建筑材料，在城市建筑、道路、桥梁、水利等工程中占据着重要地位。这些水泥基复合材料的结构在使用过程中由于受到太阳光照射，会在其内外两侧产生温差。同时，作为城市建筑墙壁的主体材料，夏季和冬季墙体两侧产生的温差由于室内制冷或制热作用会超过20℃，因此水泥基复合材料结构中温差发电的利用将具有非常大的发展潜力。但是普通热电材料一般价格昂贵，与混凝土结构相容性不佳，受到荷载作用容易损坏，难以在混凝土结构中广泛使用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种高效水泥基热电材料及其制备方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种高效水泥基热电材料，水泥基复合材料中高效水泥基热电材料为纳米级氧化锌粉体作为热电组分；其中，高效水泥基热电材料添加量占水泥基复合材料中水泥质量的1％-5％。
所述纳米级氧化锌粉体为平均粒径为1-100nm的氧化锌颗粒。
所述纳米氧化锌颗粒通过采用高能球磨法制得。
具体方法为将氧化锌粉末、不锈钢球、尼龙罐在行星式高能球磨机中加乙醇湿磨，转速为500r/min，球、粉质量比为20∶1。球磨5h后，将浆料在200℃烘干。再将烘干后的粉末干磨1h，即得到目标产物纳米氧化锌。
水泥基复合材料由水泥、水、超细硅质矿物外加剂、高效水泥基热电材料和高效减水剂；其中，水、超细硅质矿物外加剂、高效水泥基热电材料和高效减水剂的添加量分别占水泥基复合材料中水泥质量的35％-45％、5％-15％、1％-5％、0.5％-2.5％。
所述水泥为硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，强度等级为42.5或52.5；所述高效减水剂为减水率20％-30％的聚羧酸系高效减水剂(同树牌)；所述的超细硅质矿物外加剂为超细硅灰，比表面积不小于18000m2/kg，SiO2含量不低于90％。
一种水泥基复合材料的制备方法，将作为高效水泥基热电材料的纳米级氧化锌粉体制成悬浮液加入至水泥中搅拌均匀后成型，再经标准养护即可。
具体为，将作为高效水泥基热电材料的纳米级氧化锌粉体加入到水中进行超声分散形成悬浮液，而后再依次加入减水剂、水泥和硅灰，用水泥净浆搅拌机进行梯度搅拌使其搅拌均匀后成型，再经过标准养护即可。
所述梯度搅拌为首先以60-65转/分的速度慢速搅拌3-4分钟，而后再以125-135转/分的速度快速搅拌2-3分钟。
所述标准养护为20℃，95％相对湿度养护28天。
原理：对于本发明水泥基复合材料的而言，通过在其制备过程中添加纳米级的水泥基热电材料，使得水泥基复合材料的热电性能显著提高。水泥基复合材料进入纳米级尺度的热电组分后引起量子约束效应，提高载流子在费米面附近的能量梯度，降低晶格热导率，最终提高材料的热电效率。
本发明的有益效果：
本发明高效水泥基热电材料热电性能高，制备成本低，便于应用推广。与传统的水泥基热电材料相比，本发明该高效水泥基热电材料养护28d后热电系数达到1500μv/℃以上，而以往的碳纤维复合水泥基材料、钢纤维复合水泥基材料以及钢渣复合水泥基材料的热电系数一般不超过100μv/℃。
附图说明
图1为水泥基热电材料热电效应测试示意图。
图2为本发明实施例提供的水泥基热电材料电压随温差变化关系图。
图3为本发明制备的纳米氧化锌扫描电镜图。
具体实施方式
下面结合以下实施例对本发明的发明内容作详细说明。
实施例
将普通硅酸盐水泥、水、硅灰、减水剂以及纳米氧化锌粉末按照表1配比取料(以各组分与水泥的质量百分比计)后，先将纳米氧化锌粉末加入到水中超声分散15分钟，再将聚羧酸减水剂、水泥和硅灰加入悬浮液中用水泥净浆搅拌机慢速搅拌3分钟、快速搅拌2分钟，搅拌均匀后在20℃，95％相对湿度养护28天。
所述纳米级氧化锰粉体通过水热合成方法制得，或是按相应文献制备获得纳米二氧化锰的制备及其形貌调控(刘世斌，太原理工大学学报，42：369-374，2011.)
具体制备方法为6.993 0g MnSO4·H2O(分析纯)和4.3587gKMnO4(分析纯)分别在80℃下溶于50mL的纯水，然后同时缓慢滴加以上二溶液至三口烧瓶中，80℃恒温水浴中反应2h，洗涤过滤烘干后即得到目标产物纳米氧化锰。
所述水泥为硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，强度等级为42.5或52.5；所述高效减水剂为同树牌减水率20％-30％的聚羧酸系高效减水剂；所述的超细硅质矿物外加剂为超细硅灰，比表面积不小于18000m2/kg，SiO2含量不低于90％。
将以上各实施例制得的水泥基热电材料按照图1所示的方式进行热电性能测试：材料的两端分别与铜片相连，材料的一端用平板式电阻丝加热器以0.05℃/min的速率加热，另一端用水冷降温。试件两端的温差通过K型热电偶监测，产生的电压通过Fluke B15型万用表监测，电压与温差变化的关系如图2所示。根据电压随温差的变化(二者的比值)，可以计算(通过电压除以温差得到)出当氧化锌的掺量为1.0％时，其热电系数就已经超过1500μv/℃，且掺量越高，其热电系数越高。
表1各实施例中水泥基热电材料的配合比设计
编号 水泥 水 硅灰 减水剂 氧化锌
实施例1 100％ 42％ 10％ 1.0％ 1.0％
实施例2 100％ 42％ 10％ 1.5％ 2.0％
实施例3 100％ 42％ 15％ 1.0％ 3.0％
实施例4 100％ 40％ 15％ 1.5％ 4.0％
实施例5 100％ 40％ 5％ 0.5％ 5.0％
对照例1 100％ 42％ 10％ 1.0％ 0
综上,随着水泥基复合材料中氧化锌掺量的提高，电压-温差曲线图的斜率逐渐变大，即水泥基复合材料的热电系数增大，热电效应增强。通过对不同实施例的比较，发现氧化锌的掺量是影响水泥基复合材料热电系数的主要因素，而其它因素可以忽略。

Claims (9)

1.一种高效水泥基热电材料，其特征在于：水泥基复合材料中高效水泥基热电材料为纳米级氧化锌粉体作为热电组分；其中，高效水泥基热电材料添加量占水泥基复合材料中水泥质量的1％-5％。
2.按权利要求1所述高效水泥基热电材料，其特征在于：所述纳米级氧化锌粉体为平均粒径为1-100nm的氧化锌颗粒。
3.按权利要求2所述高效水泥基热电材料，其特征在于：所述纳米氧化锌颗粒通过采用高能球磨法制得。
4.按权利要求1或2所述高效水泥基热电材料，其特征在于：水泥基复合材料由水泥、水、超细硅质矿物外加剂、高效水泥基热电材料和高效减水剂；其中，水、超细硅质矿物外加剂、高效水泥基热电材料和高效减水剂的添加量分别占水泥基复合材料中水泥质量的35％-45％、5％-15％、1％-5％、0.5％-2.5％。
5.按权利要求4所述高效水泥基热电材料，其特征在于：所述水泥为硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，强度等级为42.5或52.5；所述高效减水剂为减水率20％-30％的聚羧酸系高效减水剂；所述的超细硅质矿物外加剂为超细硅灰，比表面积不小于18000m2/kg，SiO2含量不低于90％。
6.一种权利要求1所述的水泥基复合材料的制备方法，其特征在于：将作为高效水泥基热电材料的纳米级氧化锌粉体制成悬浮液加入至水泥中搅拌均匀后成型，再经标准养护即可。
7.按权利要求6所述的水泥基复合材料的制备方法，其特征在于：将作为高效水泥基热电材料的纳米级氧化锌粉体加入到水中进行超声分散形成悬浮液，而后再依次加入减水剂、水泥和硅灰，用水泥净浆搅拌机进行梯度搅拌使其搅拌均匀后成型，再经过标准养护即可。
8.按权利要求7所述的水泥基复合材料的制备方法，其特征在于：所述梯度搅拌为首先以60-65转/分的速度慢速搅拌3-4分钟，而后再以125-135转/分的速度快速搅拌2-3分钟。
9.按权利要求6或7所述的水泥基复合材料的制备方法，其特征在于：所述标准养护为20℃，95％相对湿度养护28天。
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