CN112047675B - 一种水泥混凝土路面能量转换装置及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明一种水泥混凝土路面能量转换装置，基于石墨烯增强水泥基复合材料，利用石墨烯增强水泥基复合材料的热电效应，可在温差作用下将热能转换为电能，适用于水泥混凝土路面的能量收集转换。本发明还提供了其制备方法，用烘干后的石墨烯增强水泥基复合材料加工制备转换单元，在转换单元上下表面涂抹导电银浆并插入导电铜网制成电极，用Z型导电铜网连接两个相邻转换单元，用正极导电铜网与负极导电铜网连接外电路的正极与负极，并在结构外表面辊涂环氧树脂作防渗处理。本发明可将水泥路面板内的热能转换为电能，从而实现水泥混凝土路面的能量转换，具有Seebeck系数高、热电性能稳定、制备工艺简单、结构可拓展、与水泥路面板变形相协调的优点。

Description

一种水泥混凝土路面能量转换装置及其制备方法
技术领域
本发明属于能量转换技术领域，特别涉及一种水泥混凝土路面能量转换装置及其制备方法。
背景技术
在我国大部分地区，夏季的最高温度可达35℃-40℃，水泥混凝土路面在太阳的持续热辐射作用下将会吸收大量热能，使得水泥混凝土路面温度急剧升高，而这种能量却从未被有效的利用。此外，水泥混凝土的导热系数较低，属于热的不良导体，积聚在内部的大量热量不易释放，内部高温持续时间较长，由温差产生的应力是引起路面板破坏的主要因素之一，不仅严重影响与路面的使用质量和服务寿命，而且危害交通安全。因此，对水泥混凝土路面中的热能进行转换并收集利用至关重要。
现有路面能量转换装置大多使用金属或半导体材料制成的热电元件。这类材料具有较高的Seebeck系数，热电效应显著，可将温差转换为电能。然而，这种金属或半导体制成的热电元件的强度与水泥混凝土路面的强度差异较大，二者在承受荷载时无法协调变形，因此会对水泥混凝土路面内部结构造成损害。此外，这类热电元件往往造价昂贵，难以大规模生产，无法将其广泛地应用在水泥混凝土路面结构中。因此，有必要开发出一种造价便宜、易于大规模生产且适合广泛应用于水泥混凝土路面的能量转换材料与装置。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种水泥混凝土路面能量转换装置及其制备方法，具有Seebeck系数高、热电性能稳定、制备工艺简单、结构可拓展的优点，可实现水泥混凝土路面的能量转换。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种水泥混凝土路面能量转换装置，包括顶部和底部分别设置正负电极的转换单元1，所述转换单元1采用石墨烯增强水泥基复合材料，所述石墨烯增强水泥基复合材料是在水泥基体中添加石墨烯作为热电组分，其具有显著热电效应。
优选地，所述转换单元1的外侧表面辊涂有环氧树脂密封层4。
优选地，所述转换单元1的埋置深度为5-20mm。
优选地，所述转换单元1的数量为多个，相邻转换单元1的正负电极通过Z型导电铜网2.1连接导通，实现多个转换单元1的串、并联或串并联组合。
优选地，所述转换单元1的顶部和底部分别涂抹导电银浆3，在一个最端部的转换单元1顶部的导电银浆3中插入正极导电铜网2.3或负极导电铜网2.2，该最端部的转换单元1的底部的导电银浆3与Z型导电铜网2.1连接导通；在另一个最端部的转换单元1底部的导电银浆3中插入负极导电铜网2.2或正极导电铜网2.3，该另一个最端部的转换单元1的顶部的导电银浆3与Z型导电铜网2.1连接导通。
本发明还提供了所述水泥混凝土路面能量转换装置的制备方法，包括：
制备石墨烯增强水泥基复合材料；
根据所需尺寸，利用石墨烯增强水泥基复合材料制备转换单元1的主体部分；
在转换单元1的主体部分的上、下表面涂抹导电银浆3，将电极插入导电银浆3中；
将导电银浆3烘干为固体状态。
优选地，所述石墨烯增强水泥基复合材料通过如下方式制备：
将石墨烯加入水中机械搅拌形成悬浮液，再超声分散得到分散均匀的石墨烯悬浮液备用；
将水泥、减水剂依次加入到所述石墨烯悬浮液中，进行梯度搅拌使其搅拌均匀后成型，再经过密闭养护制成。
优选地，以重量计，所述石墨烯的用量为水泥用量的0.05％～0.15％，水的用量为水泥用量的30％～40％，减水剂的用量为水泥用量的0.1％～0.3％，所述石墨烯厚度范围4～20nm，微片大小5～10μm，小于30层，所述水泥为硅酸盐水泥，强度等级为42.5或52.5；所述减水剂为聚羧酸系减水剂，用于提高水泥浆体的工作性。
优选地，所述机械搅拌时间为5-10分钟，所述超声分散是用超声分散仪超声分散20-30分钟，超声功率为400-600W，所述梯度搅拌是采用行星搅拌机首先以60-65转/分钟的速度慢速搅拌3-5分钟，再以125-135转/分钟的速度快速搅拌5-10分钟，所述密闭养护为将制成的石墨烯增强水泥基复合材料用保鲜膜进行包裹，养护28天，防止其与外界进行水分交换，养护28天后先放入烘箱内80℃烘干1-2天，以烘干石墨烯增强水泥基复合材料内部剩余的水分。
优选地，所述电极包括正极导电铜网2.3、负极导电铜网2.2和Z型导电铜网2.1，正极导电铜网2.3或负极导电铜网2.2或Z型导电铜网2.1插入导电银浆3中，热烘枪100-150℃烘干3-5分钟，至导电银浆3变为固体状态，实现多个转换单元1的串、并联或串并联组合，并保证导电铜网与石墨烯增强水泥基复合材料表面接触良好，避免产生较大的接触电阻。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明使用的石墨烯材料为一种具有显著热电效应的二维纳米材料，将其掺入水泥基体中将使水泥基复合材料获得较高的Seebeck系数，且具有造价便宜、可大批量生产的优点。
(2)本发明所述的基于石墨烯增强水泥基复合材料的水泥混凝土路面能量转换装置包括石墨烯增强水泥基复合材料、电极、密封层，具有可拓展的特点，可将多个石墨烯增强水泥基复合材料作为热电元件通过电极连接起来，以提高装置的热电转换能力。
(3)本发明所述的基于石墨烯增强水泥基复合材料的水泥混凝土路面能量转换装置表面辊涂环氧树脂作为密封层，以保证其热电转换性能不受养护过程中与水泥混凝土路面中的水分的影响，保证热电转换性能的稳定性。
(4)本发明所述的基于石墨烯增强水泥基复合材料的水泥混凝土路面能量转换装置与水泥混凝土路面的强度基本保持一致，二者在受到荷载时可以协调变形，保证水泥混凝土路面结构的完整性。
附图说明
图1为能量转换装置的三维结构示意图。
图2为能量转换装置的主视图。
图3为能量转换装置的热电电压与温差的关系曲线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
实施例1
参照图1与图2，一种水泥混凝土路面能量转换装置，包括转换单元1，其顶部和底部分别设置正负电极。转换单元1采用石墨烯增强水泥基复合材料，石墨烯增强水泥基复合材料是在水泥基体中添加石墨烯作为热电组分，其具有显著热电效应。
本发明的石墨烯增强水泥基复合材料可通过如下方法制备：
将石墨烯加入水中机械搅拌形成悬浮液，再超声分散得到分散均匀的石墨烯悬浮液备用；
将水泥、减水剂依次加入到所述石墨烯悬浮液中，进行梯度搅拌使其搅拌均匀后成型，再经过密闭养护制成。
其中，以重量计，石墨烯的用量为水泥用量的0.05％～0.15％，水的用量为水泥用量的30％～40％，减水剂的用量为水泥用量的0.1％～0.3％。本实施例分别选择0.05％、30％和0.1％。
石墨烯为中国科学院山西煤炭化学研究所提供的高导电石墨烯，厚度范围4～20nm，微片大小5～10μm，小于30层。本实施例中，水泥为硅酸盐水泥，强度等级为42.5或52.5；减水剂为聚羧酸系减水剂，用于提高水泥浆体的工作性。
上述的机械搅拌，时间为5-10分钟，超声分散则是用超声分散仪超声分散20-30分钟，超声功率为400-600W，本实施例分别选择5分钟、20分钟600W。
上述的梯度搅拌是采用行星搅拌机首先以60-65转/分钟的速度慢速搅拌3-5分钟，再以125-135转/分钟的速度快速搅拌5-10分钟，本实施例分别选择65转/分钟，3分钟、130转/分钟，6分钟。
上述的密闭养护为将制成的石墨烯增强水泥基复合材料用保鲜膜进行包裹，养护28天，防止其与外界进行水分交换，养护28天后先放入烘箱内80℃烘干1-2天(本实施例中实际烘干时间为50h左右)，以烘干石墨烯增强水泥基复合材料内部剩余的水分。
在制备石墨烯增强水泥基复合材料之后，根据所需尺寸，利用石墨烯增强水泥基复合材料制备转换单元1的主体部分；在转换单元1的主体部分的上、下表面涂抹导电银浆3，将电极插入导电银浆3中；将导电银浆3烘干为固体状态，即得完整结构。
其中，导电银浆3的烘干可采用热烘枪100-150℃烘干3-5分钟，本实施例选择120℃，3分钟，可保证电极与石墨烯增强水泥基复合材料表面接触良好，避免产生较大的接触电阻。
本发明转换单元1的埋置深度为5-20mm，即可实现有效的能量转换，本实施例选择10mm。
实施例2
在实施例1的基础上，转换单元1的外侧表面辊涂有环氧树脂密封层4，以对能量转换装置做防渗处理。
实施例3
参照图1与图2，在实施例1或2的基础上，转换单元1的数量为多个，电极包括正极导电铜网2.3、负极导电铜网2.2和Z型导电铜网2.1，可在每个转换单元1的上下端设置正极导电铜网2.3(或负极导电铜网2.2)和负极导电铜网2.2(或正极导电铜网2.3)，以Z型导电铜网2.1连接导通相邻转换单元1的正极导电铜网2.3(或负极导电铜网2.2)和负极导电铜网2.2(或正极导电铜网2.3)，实现多个转换单元1的串、并联或串并联组合，最终实现能量转换装置的可拓展性。
也可在一个最端部(指电量输出回路的一个最端部)的转换单元1顶部的导电银浆3中插入正极导电铜网2.3或负极导电铜网2.2，该最端部的转换单元1的底部的导电银浆3与Z型导电铜网2.1连接导通；在另一个最端部(指电量输出回路的另一个最端部)的转换单元1底部的导电银浆3中插入负极导电铜网2.2或正极导电铜网2.3，该另一个最端部的转换单元1的顶部的导电银浆3与Z型导电铜网2.1连接导通，实现多个转换单元1的串、并联或串并联组合，最终实现能量转换装置的可拓展性。
最端部的电极实现能量的收集与利用。
实施例4
与实施例3不同的是，本实施例中，石墨烯的用量为水泥用量的0.15％，水的用量为水泥用量的40％，减水剂的用量为水泥用量的0.3％，水泥强度等级为52.5；机械搅拌时间为10分钟，超声分散30分钟，超声功率400W；梯度搅拌是首先以60转/分钟的速度慢速搅拌5分钟，再以135转/分钟的速度快速搅拌5分钟。导电银浆3的烘干采用热烘枪100℃烘干5分钟，最终所得转换单元1的埋置深度为20mm。
实施例5
与实施例3不同的是，本实施例中，水泥、水、石墨烯、聚羧酸系减水剂的质量比为100：40：0.1：0.1。机械搅拌5分钟，超声分散30分钟，功率为400W。然后，梯度搅拌是首先以60转/分钟的速度慢速搅拌5分钟，而后再以130转/分钟的速度快速搅拌10分钟，待其搅拌均匀后倒入尺寸为20×20×80mm的不锈钢模具成型，再经过密闭养护28天即可制成石墨烯增强水泥基复合材料。石墨烯增强水泥基复合材料在养护完成后放入烘箱内80℃烘干1天后取出待用。
参照图1与图2，用烘干后的石墨烯增强水泥基复合材料根据所需尺寸加工为单个转换单元1，在转换单元1上下表面涂抹导电银浆3，并插入导电铜网，使用热烘枪150℃将导电银浆烘干5分钟，制成电极；其中Z型导电铜网2.1用于连接两个转换单元1，正极导电铜网2.2与负极导电铜网2.3用于连接外电路的正极与负极。电极制作完成后，在两个转换单元1外表面辊涂环氧树脂密封层4。
参照图3，本实施例能量转换装置具有显著的热电转换性能，其产生电压的能力随着温差的增大而增大，在70℃的温差下最大可产生6mV的热电压。基于本发明提出的一种基于石墨烯增强水泥基复合材料的水泥混凝土路面能量转换装置的可拓展性，包含12个石墨烯增强水泥基复合材料组成的水泥混凝土路面能量转换装置理论上可以产生的热电压约为36mv，可以为路面结构中使用的低功耗电子设备供电。
综上，本发明水泥混凝土路面能量转换装置，基于石墨烯增强水泥基复合材料，利用石墨烯增强水泥基复合材料的热电效应，可在温差作用下将水泥路面板内的热能转换为电能，适用于水泥混凝土路面的能量收集转换。具有Seebeck系数高、热电性能稳定、制备工艺简单、结构可拓展、与水泥路面板变形相协调的优点。
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的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种水泥混凝土路面能量转换装置，包括顶部和底部分别设置正负电极的转换单元(1)，其特征在于，所述转换单元(1)采用石墨烯增强水泥基复合材料，所述石墨烯增强水泥基复合材料是在水泥基体中添加石墨烯作为热电组分，以重量计，石墨烯的用量为水泥用量的0.05％～0.15％。
2.根据权利要求1所述水泥混凝土路面能量转换装置，其特征在于，所述转换单元(1)的外侧表面辊涂有环氧树脂密封层(4)。
3.根据权利要求1所述水泥混凝土路面能量转换装置，其特征在于，所述转换单元(1)的埋置深度为5-20mm。
4.根据权利要求1或2或3所述水泥混凝土路面能量转换装置，其特征在于，所述转换单元(1)的数量为多个，相邻转换单元(1)的正负电极通过Z型导电铜网(2.1)连接导通，实现多个转换单元(1)的串、并联或串并联组合。
5.根据权利要求4所述水泥混凝土路面能量转换装置，其特征在于，所述转换单元(1)的顶部和底部分别涂抹导电银浆(3)，在一个最端部的转换单元(1)顶部的导电银浆(3)中插入正极导电铜网(2.3)或负极导电铜网(2.2)，该最端部的转换单元(1)的底部的导电银浆(3)与Z型导电铜网(2.1)连接导通；在另一个最端部的转换单元(1)底部的导电银浆(3)中插入负极导电铜网(2.2)或正极导电铜网(2.3)，该另一个最端部的转换单元(1)的顶部的导电银浆(3)与Z型导电铜网(2.1)连接导通。
6.权利要求1所述水泥混凝土路面能量转换装置的制备方法，其特征在于，包括：
制备石墨烯增强水泥基复合材料；
根据所需尺寸，利用石墨烯增强水泥基复合材料制备转换单元(1)的主体部分；
在转换单元(1)的主体部分的上、下表面涂抹导电银浆(3)，将电极插入导电银浆(3)中；
将导电银浆(3)烘干为固体状态。
7.根据权利要求6所述制备方法，其特征在于，所述石墨烯增强水泥基复合材料通过如下方式制备：
将石墨烯加入水中机械搅拌形成悬浮液，再超声分散得到分散均匀的石墨烯悬浮液备用；
将水泥、减水剂依次加入到所述石墨烯悬浮液中，进行梯度搅拌使其搅拌均匀后成型，再经过密闭养护制成。
8.根据权利要求7所述制备方法，其特征在于，以重量计，所述石墨烯的用量为水泥用量的0.05％～0.15％，水的用量为水泥用量的30％～40％，减水剂的用量为水泥用量的0.1％～0.3％，所述石墨烯厚度范围4～20nm，微片大小5～10μm，小于30层，所述水泥为硅酸盐水泥，强度等级为42.5或52.5；所述减水剂为聚羧酸系减水剂，用于提高水泥浆体的工作性。
9.根据权利要求7所述制备方法，其特征在于，所述机械搅拌的时间为5-10分钟，所述超声分散是用超声分散仪超声分散20-30分钟，超声功率为400-600W，所述梯度搅拌是采用行星搅拌机首先以60-65转/分钟的速度慢速搅拌3-5分钟，再以125-135转/分钟的速度快速搅拌5-10分钟，所述密闭养护为将制成的石墨烯增强水泥基复合材料用保鲜膜进行包裹，养护28天，防止其与外界进行水分交换，养护28天后先放入烘箱内80℃烘干1-2天，以烘干石墨烯增强水泥基复合材料内部剩余的水分。
10.根据权利要求6所述制备方法，其特征在于，所述电极包括正极导电铜网(2.3)、负极导电铜网(2.2)和Z型导电铜网(2.1)，正极导电铜网(2.3)或负极导电铜网(2.2)或Z型导电铜网(2.1)插入导电银浆(3)中，热烘枪100-150℃烘干3-5分钟，至导电银浆(3)变为固体状态，实现多个转换单元(1)的串、并联或串并联组合。
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