CN109608138A - 一种具有温差发电特征的水泥基复合材料 - Google Patents
一种具有温差发电特征的水泥基复合材料 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种具有温差发电特征的水泥基复合材料,按照重量份数包括以下组分:水泥60~70份、纳米导电碳粉5~10份、碳纤维2~3份、纳米硅线1~2份;其制备方法括以下步骤:1)按比例称取各组分和水;2)将水泥与纳米导电碳粉先干搅2~3min再加水湿搅5~8min,之后加入纳米硅线悬浊液继续湿搅2~3min形成水泥基体;3)在水泥基体中掺加碳纤维,再继续搅拌8~10min后浇模成型。本发明以普通水泥为基体材料,利用纳米半导体材料及碳基材料大幅度提升了水泥基材料的Seebeck系数及电导率,有利于建筑节能技术和太阳能建筑的推广及应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有温差发电特征的水泥基复合材料,属于建筑材料技术领域。
背景技术
随着城市化进程的逐渐加快,城市热岛现象日益明显。在夏天日光直射的条件下,城市路面及屋顶的温度通常能达到65摄氏度以上,室内外温差常常能达到40摄氏度以上。利用水泥基材料的温差发电特征直接采用建筑物的水泥基墙体及屋顶收集城市中的热能及太阳能并将其转换为电能,将有利于建筑节能技术和太阳能建筑的推广及应用。对于水泥基材料,其温差发电的性能主要取决于其热电优值(ZT),为了提高水泥基材料的热电优值,需要水泥基材料同时具有较高的Seebeck系数及电导率。
文献1(“魏剑;赵莉莉;张倩等;一种提高碳纤维水泥基复合材料Seebeck系数的方法;公开号:CN106747140A”)公开了一种利用酸处理碳纤维提高水泥基复合材料Seebeck系数的方法。通过掺加碳纤维材料,虽然水泥基材料的Seebeck系数获得了较大提升,但是该材料中仅有一维导电材料,导电网络连接功能较差,导电率依然较低,使得其热电优值不能满足水泥基材料温差发电的需要。
文献2(“J.Wei,Q.Zhang,et al,Ceramics International,2016,42(10),11568-11573”)公开了一种通过热解碳层工艺增加碳纤维比表面积从而提高了碳纤维与水泥基体的接触面积的操作。该方法可以将水泥基材料的Seebeck系数提高到52.5mV/℃,但是由于其导电性依然较低,且Seebeck系数依然处于较低水平,实验过程中得到的最大热电优值仅为3.11×10-3。
文献3(“T.Ji,XY.Zhang,et al,Journal of Materials in Civil Engineering,2018,30(9),04018224”)公开了一种在水泥基材料中掺加MnO2粉末从而提高水泥基热电性能的方法。试验得到的最大Seebeck系数约为5.4mV/℃,但是该材料中未掺加导电材料,使得其导电率仅为1.88×10-4S/m,热电优值仅为7.596×10-7,不能满足水泥基材料温差发电的需要。
发明内容
技术问题:本发明的目的是提供一种具有温差发电特征的水泥基复合材料,该材料同时提高水泥基材料导电率及席贝克系数(Seebeck系数),从而大幅度提高水泥基材料的热电优值,在材料层面为建筑节能技术和太阳能建筑的推广及应用提供支持。
技术方案:本发明提供了一种具有温差发电特征的水泥基复合材料,该水泥基复合材料按照重量份数包括以下组分:
其中:
所述的水泥为普通硅酸盐水泥或者复合硅酸盐水泥,其28天抗压强度≥52.5MPa,28天抗折强度≥7.0MPa,比表面积≥300m2/kg。
所述纳米导电碳粉的粒径为9~20nm,电阻率为0.5~1.0Ω·m。
所述碳纤维为短切碳纤维,长度为3~9mm,直径为5~0μm,电阻率为0.01~0.1Ω·m,抗拉强度为3000~5000MPa。
所述纳米硅线的长度为1nm~100nm,电阻率为0.01~1Ω·m。
所述的纳米硅线由金属催化化学刻蚀法制备。
本发明还提供了一种具有温差发电特征的水泥基复合材料的制备方法,该方法包括以下步骤:
1)按比例称取各组分和水;
2)取纳米硅线溶于部分手中配制成纳米硅线悬浊液,之后将水泥与纳米导电碳粉先干搅拌2~3min再加水湿搅拌5~8min,之后加入纳米硅线悬浊液继续湿搅拌2~3min形成水泥基体;
3)在水泥基体中掺加碳纤维,再继续搅拌8~10min后浇模成型。
其中:
步骤1)中所述的水与水泥按重量份比为30~35:60~70。
步骤2)和步骤3)过程中搅拌操作的搅拌频率均为100~140r/min。
本发明通过在水泥基材料中掺加纳米导电碳粉、碳纤维及纳米硅线,大幅度提高水泥基材料的导电率及Seebeck系数的方法,从而提高水泥基材料的热电优值,使得水泥基材料具有温差发电的功能成为可能。
有益效果:与现有技术相比,本发明具有以下优势:
1、本发明提供的具有温差发电特征的水泥基复合材料同时具有更高的导电率及Seebeck系数的水泥基材料,从而大幅度提高水泥基材料的热电优值及热电转化率;
2、本发明提供的具有温差发电特征的水泥基复合材料中,纳米导电碳粉和碳纤维可以在水泥基体中形成零维和一维的导电网络,大幅度提高了水泥材料的导电性能,同时碳纤维还能起到良好的桥接作用,提高水泥基材料的延性及耐久性;
3、本发明提供的具有温差发电特征的水泥基复合材料中,纳米硅线是一种新型低维度纳米半导体材料,具有突出的电热学特性,目前已经在太阳能电池、锂离子电池、生物传感器等领域取得了广泛的应用;在水泥基体中掺加纳米硅线可以大幅度提高水泥基材料中载流子的能量和速度,进而大幅度提高水泥基材料Seebeck系数,使得水泥基材料获得类半导体材料的电热学特点;
4、本发明提供的具有温差发电特征的水泥基复合材料的制备方法简单方便,适合于大体积温差发电水泥基复合材料的浇筑。
附图说明
图1是本发明提出的具有温差发电特征的水泥基复合材料的制备方法流程示意图;
图2是掺加碳纤维及纳米导电碳粉对水泥基材料导电网络的影响示意图;
图3是实施例1-3的导电率随温度变化的曲线;
图4是实施例1-3的Seebeck系数随温度变化的曲线;
图5是实施例1-3的热电优值随温度变化的曲线。
具体实施方式
本发明利用半导体纳米材料设计了一种同时具有更高的导电率及Seebeck系数的水泥基材料,从而大幅度提高水泥基材料的热电优值及热电转化率。其中纳米导电碳粉和碳纤维可以在水泥基体中形成零维和一维的导电网络,大幅度提高了水泥材料的导电性能,同时碳纤维还能起到良好的桥接作用,提高水泥基材料的延性及耐久性。纳米硅线是一种新型低维度纳米半导体材料,具有突出的电热学特性,目前已经在太阳能电池、锂离子电池、生物传感器等领域取得了广泛的应用。在水泥基体种掺加纳米硅线可以大幅度提高水泥基材料中载流子的能量和速度,进而大幅度提高水泥基材料Seebeck系数,使得水泥基材料获得类半导体材料的电热学特点。下面结合附图对本发明作进一步的详述,以更好地理解本发明的内容,但本发明并不限于以下实施例。
实施例1:
本实施案例为配置一种纳米碳粉水泥基材料(不掺加碳纤维及纳米硅线),按照重量份数包括以下组分:
水泥 60份
纳米导电碳粉 5份
其中水泥为普通硅酸盐水泥,其28天抗压强度≥52.5MPa,28天抗折强度≥7.0MPa,比表面积≥300m2/kg。
纳米导电碳粉的粒径为9~20nm,电阻率为0.5~1.0Ω·m。
其制备过程包括以下步骤:
1)按比例称取各组分和水,其中水与水泥的重量份比例为30:60;
2)将水泥与纳米导电碳粉先干搅3min再加水湿搅8min后浇模成型,得到仅含纳米导电碳粉的水泥基材料。
实施例2:
本实施案例为配置一种纳米碳粉及碳纤维水泥基材料(不掺加纳米硅线),按照重量份数包括以下组分:
水泥 70份
纳米导电碳粉 10份
碳纤维 3份
其中水泥为普通硅酸盐水泥,其28天抗压强度≥52.5MPa,28天抗折强度≥7.0MPa,比表面积≥300m2/kg。
纳米导电碳粉的粒径为9~20nm,电阻率为0.5~1.0Ω·m。
碳纤维为短切碳纤维,长度为3~9mm,直径为5~0μm,电阻率为0.01~0.1Ω·m,抗拉强度为3000~5000MPa。
其制备过程包括以下步骤:
1)按比例称取各组分和水,其中水与水泥的重量份比例为35:70;
2)将水泥与纳米导电碳粉先干搅3min再加水湿搅8min形成水泥基体;
3)在水泥基体中掺加碳纤维,再以140r/min的频率继续搅拌10min后浇模成型,得到仅含碳纤维和纳米导电碳粉的水泥基材料。
实施例3:
本实施案例为配置一种温差发电特征的水泥基复合材料,按照重量份数包括以下组分:
其中水泥为普通硅酸盐水泥,其28天抗压强度≥52.5MPa,28天抗折强度≥7.0MPa,比表面积≥300m2/kg。
纳米导电碳粉的粒径为9~20nm,电阻率为0.5~1.0Ω·m。
碳纤维为短切碳纤维,长度为3~9mm,直径为5~0μm,电阻率为0.01~0.1Ω·m,抗拉强度为3000~5000MPa。
所述纳米硅线的长度为1nm~100nm,电阻率为0.01~1Ω·m。
其制备过程包括以下步骤:
1)按比例称取各组分和水,其中水与水泥的重量份比例为30:60;
2)取纳米硅线溶于部分手中配制成纳米硅线悬浊液,之后在搅拌频率为100r/min的条件下,将水泥与纳米导电碳粉先干搅拌2min再加水湿搅拌8min,之后加入纳米硅线悬浊液继续湿搅拌2min形成水泥基体;
3)在水泥基体中掺加碳纤维,再以140r/min的频率继续搅拌10min后浇模成型,得到含碳纤维、纳米导电碳粉及纳米硅线的水泥基材料。
实施例4:
一种具有温差发电特征的水泥基复合材料,按照重量份数包括以下组分:
所述的水泥为普通硅酸盐水泥,其28天抗压强度≥52.5MPa,28天抗折强度≥7.0MPa,比表面积≥300m2/kg。
所述纳米导电碳粉的粒径为9~20nm,电阻率为0.5~1.0Ω·m。
所述碳纤维为短切碳纤维,长度为3~9mm,直径为5~0μm,电阻率为0.01~0.1Ω·m,抗拉强度为3000~5000MPa。
所述纳米硅线的长度为1nm~100nm,电阻率为0.01~1Ω·m。
其制备过程包括以下步骤:
1)按比例称取各组分和水,其中水与水泥的重量份比例为35:70;
2)取纳米硅线溶于部分手中配制成纳米硅线悬浊液,之后在搅拌频率为140r/min的条件下,将水泥与纳米导电碳粉先干搅拌3min再加水湿搅拌8min,之后加入纳米硅线悬浊液继续湿搅拌2min形成水泥基体;
3)在水泥基体中掺加碳纤维,再以140r/min的频率继续搅拌8min后浇模成型。
实施例5:
一种具有温差发电特征的水泥基复合材料,按照重量份数包括以下组分:
所述的水泥为普通硅酸盐水泥,其28天抗压强度≥52.5MPa,28天抗折强度≥7.0MPa,比表面积≥300m2/kg。
所述纳米导电碳粉的粒径为9~20nm,电阻率为0.5~1.0Ω·m。
所述碳纤维为短切碳纤维,长度为3~9mm,直径为5~0μm,电阻率为0.01~0.1Ω·m,抗拉强度为3000~5000MPa。
所述纳米硅线的长度为1nm~100nm,电阻率为0.01~1Ω·m。
一种具有温差发电特征的水泥基复合材料的制备方法,该方法包括以下步骤:
1)按比例称取各组分和水,其中水与水泥的重量份比例为32:65;
2)取纳米硅线溶于部分手中配制成纳米硅线悬浊液,之后在搅拌频率为100r/min的条件下,将水泥与纳米导电碳粉先干搅拌2min再加水湿搅拌7min,之后加入纳米硅线悬浊液继续湿搅拌2min形成水泥基体;
3)在水泥基体中掺加碳纤维,再继续搅拌9min后浇模成型。
实施例6:
一种具有温差发电特征的水泥基复合材料,按照重量份数包括以下组分:
所述的水泥为复合硅酸盐水泥,其28天抗压强度≥52.5MPa,28天抗折强度≥7.0MPa,比表面积≥300m2/kg。
所述纳米导电碳粉的粒径为9~20nm,电阻率为0.5~1.0Ω·m。
所述碳纤维为短切碳纤维,长度为3~9mm,直径为5~0μm,电阻率为0.01~0.1Ω·m,抗拉强度为3000~5000MPa。
所述纳米硅线的长度为1nm~100nm,电阻率为0.01~1Ω·m。
一种具有温差发电特征的水泥基复合材料的制备方法,该方法包括以下步骤:
1)按比例称取各组分和水,其中水与水泥的重量份比例为35:60;
2)取纳米硅线溶于部分手中配制成纳米硅线悬浊液,之后在搅拌频率为100r/min的条件下,将水泥与纳米导电碳粉先干搅拌2min再加水湿搅拌5min,之后加入纳米硅线悬浊液继续湿搅拌3min形成水泥基体;
3)在水泥基体中掺加碳纤维,再继续搅拌10min后浇模成型。
实施例7:
一种具有温差发电特征的水泥基复合材料,按照重量份数包括以下组分:
所述的水泥为复合硅酸盐水泥,其28天抗压强度≥52.5MPa,28天抗折强度≥7.0MPa,比表面积≥300m2/kg。
所述纳米导电碳粉的粒径为9~20nm,电阻率为0.5~1.0Ω·m。
所述碳纤维为短切碳纤维,长度为3~9mm,直径为5~0μm,电阻率为0.01~0.1Ω·m,抗拉强度为3000~5000MPa。
所述纳米硅线的长度为1nm~100nm,电阻率为0.01~1Ω·m。
一种具有温差发电特征的水泥基复合材料的制备方法,该方法包括以下步骤:
1)按比例称取各组分和水,其中水与水泥的重量份比例为30:63;
2)取纳米硅线溶于部分手中配制成纳米硅线悬浊液,之后在搅拌频率为120r/min的条件下,将水泥与纳米导电碳粉先干搅拌2min再加水湿搅拌5min,之后加入纳米硅线悬浊液继续湿搅拌3min形成水泥基体;
3)在水泥基体中掺加碳纤维,再继续搅拌10min后浇模成型。
利用平板加热器使上述7个实施例制备得到的试样的两个相对侧面产生温差ΔT,其中一个侧面被平板加热器逐渐加热至90℃(加热速率0.01℃/s),另一侧面处于环境温度;在加热过程中,利用Omega热电偶及高性能数字万用表(34410A型)同时获得这两个相对侧面之间产生的温差电动势、温差及电阻值,然后可以获得在加热过程中,导电率、Seebeck系数和热电优值随温度变化的曲线。其中实施例1、实施例2及实施例3的结果如图3、图4、图5所示。
参阅图3所示,本发明将零维的纳米导电碳粉及一维的碳纤维掺加在水泥基中可以行成更加完备的导电网络,大幅度降低水泥基材料的电阻值,基本原理及示意图如图2所示。
参阅图4所示,本发明在水泥复合材料在掺加纳米硅线可以大幅度提高水泥基材料的Seebeck系数,但在温差达70℃之后Seebeck系数略有降低。
参阅图5所示,相比于普通碳纤维水泥基材料,本发明设计的水泥基材料(含有纳米导电碳粉、碳纤维和纳米硅线的水泥基复合材料)热电优值(ZT)可以达到0.1,已经初步达到水泥基材料温差发电的理论阈值。
在实验过程中获得的最大ZT值如下表所示,可以发现随着纳米硅线掺量的增加,热电优值(ZT)也将进一步增大。
表1不同实施例得到试样的ZT最大值
试样 | 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 | 实施例5 | 实施例6 | 实施例7 |
ZT值最大值 | 1.82×10<sup>-4</sup> | 1.03×10<sup>-3</sup> | 1.31×10<sup>-1</sup> | 1.55×10<sup>-1</sup> | 1.67×10<sup>-1</sup> | 1.21×10<sup>-1</sup> | 1.63×10<sup>-1</sup> |
以上所述仅为本发明的一种实施方式,不是全部或唯一的实施方式,本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取任何等效或者掺加剂量上的变化,均为本发明权利要求所覆盖。
Claims (8)
1.一种具有温差发电特征的水泥基复合材料,其特征在于:该水泥基复合材料按照重量份数包括以下组分:
2.如权利要求1所述的一种具有温差发电特征的水泥基复合材料,其特征在于:所述的水泥为普通硅酸盐水泥或者复合硅酸盐水泥,其28天抗压强度≥52.5MPa,28天抗折强度≥7.0MPa,比表面积≥300m2/kg。
3.如权利要求1所述的一种具有温差发电特征的水泥基复合材料,其特征在于:所述纳米导电碳粉的粒径为9~20nm,电阻率为0.5~1.0Ω·m。
4.如权利要求1所述的一种具有温差发电特征的水泥基复合材料,其特征在于:所述碳纤维为短切碳纤维,长度为3~9mm,直径为5~0μm,电阻率为0.01~0.1Ω·m,抗拉强度为3000~5000MPa。
5.如权利要求1所述的一种具有温差发电特征的水泥基复合材料,其特征在于:所述纳米硅线的长度为1nm~100nm,电阻率为0.01~1Ω·m。
6.一种如权利要求1所述的具有温差发电特征的水泥基复合材料的制备方法,其特征在于:该方法包括以下步骤:
1)按比例称取各组分和水;
2)取纳米硅线溶于部分水中配制成纳米硅线悬浊液,之后将水泥与纳米导电碳粉先干搅拌2~3min再加水湿搅拌5~8min,之后加入纳米硅线悬浊液继续湿搅拌2~3min形成水泥基体;
3)在水泥基体中掺加碳纤维,再继续搅拌8~10min后浇模成型。
7.如权利要求6所述的一种具有温差发电特征的水泥基复合材料的制备方法,其特征在于:步骤1)中所述的水与水泥按重量份比为30~35:60~70。
8.如权利要求6所述的一种具有温差发电特征的水泥基复合材料的制备方法,其特征在于:步骤2)和步骤3)过程中搅拌操作的搅拌频率均为100~140r/min。
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CN114923153A (zh) * | 2022-03-04 | 2022-08-19 | 南京工业大学 | 可实现混凝土温差发电供应路灯装置及混凝土道路的制法 |
CN114853407A (zh) * | 2022-03-10 | 2022-08-05 | 沈阳建筑大学 | 一种具有热电性能的水泥基复合材料及其制备方法 |
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CN109608138B (zh) | 2021-06-22 |
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