碳材料增強水泥基復(fù)合材料熱電性能研究.pdf

1、熱電水泥基復(fù)合材料是一種新型智能結(jié)構(gòu)材料，其在降低夏季城市熱島效應(yīng)和冬季道路融雪化冰等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。目前，由于水泥基復(fù)合材料的Seebeck系數(shù)低、熱電轉(zhuǎn)換效率不高且穩(wěn)定性差等原因限制了其的廣泛應(yīng)用，因此，為了推進水泥基復(fù)合材料的應(yīng)用，本論文提出以膨脹石墨、碳納米管和酸處理碳纖維作為增強相，通過調(diào)整試樣的成型壓力、導(dǎo)電相的比表面積（預(yù)處理方式不同）和摻量研究水泥基復(fù)合材料的熱電性能，從而得出制備高熱電性能水泥基復(fù)合材料的最佳工

2、藝，同時揭示了熱電性能強化機理。
　?。?）研究了成型壓力（10MPa、20MPa、30MPa和40MPa）、膨脹石墨的預(yù)處理溫度（700℃、800℃和900℃）和質(zhì)量分?jǐn)?shù)（5.0wt％、10.0wt%和15.0wt%）對水泥基復(fù)合材料熱電性能的影響。結(jié)果表明：膨脹石墨水泥基復(fù)合材料（Expanded Graphite Reinforced Cement-based Composites，簡寫EGCC）的熱電性能隨著成型壓力的增大

3、而增加，且在整個變溫測試區(qū)間（35-75℃）內(nèi)，熱電性能隨著溫度的升高而增強；膨脹石墨在不同預(yù)處理溫度（700℃、800℃和900℃）下的BET測試結(jié)果表明，當(dāng)預(yù)處理溫度為800℃時，膨脹石墨具有高的氮氣吸附量、累積孔體積和比表面積，從而使水泥基復(fù)合材料的熱電性能得到提高；隨著膨脹石墨含量的增加，水泥基復(fù)合材料的熱導(dǎo)率和熱電性能均逐漸增大。因此，當(dāng)膨脹石墨熱處理溫度為800℃，摻量為15.0wt%時，采用40MPa成型壓力制備的水泥基復(fù)

4、合材料具有最高的電導(dǎo)率（24.56S/cm）、絕對Seebeck系數(shù)（45.24μV/℃）和熱電優(yōu)值（5.48×10-4）。
　　（2）通過對EGCC進行Hall效應(yīng)測試，發(fā)現(xiàn)在水泥基材料中添加膨脹石墨后，其Hall系數(shù)均為負(fù)值，表明在EGCC中的主要導(dǎo)電載流子類型為電子載流子，屬于n型半導(dǎo)體；隨著膨脹石墨含量的增加，水泥基復(fù)合材料內(nèi)部的載流子濃度和遷移率均增大，從而使水泥基復(fù)合材料獲得穩(wěn)定的Seebeck系數(shù)和高的電導(dǎo)率。

5、>　　（3）將質(zhì)量百分含量為5.0wt%、10.0wt%和15.0wt%的碳納米管添加到水泥基體中，研究了碳納米管水泥基體復(fù)合材料（Carbon Nanotubes Reinforced Cement-based Composites，簡寫CNTsCC）的熱電性能。結(jié)果表明：隨著碳納米管含量的增加，水泥基復(fù)合材料的熱電性能隨之增加，即當(dāng)碳納米管含量為15.0wt%時，水泥基復(fù)合材料的熱電優(yōu)值高達9.33×10-5。碳納米管的摻量較高時可

6、使水泥基復(fù)合材料的熱電性能得到顯著增強，但因其摻量過高和較高的比表面積，使碳納米管在水泥基體中團聚成絮狀結(jié)構(gòu)，難以單絲狀均勻分布，降低水泥基復(fù)合材料致密度的同時也使復(fù)合材料熱電性能的穩(wěn)定性變差。
　　（4）當(dāng)碳纖維摻量為1.2wt%時，研究了碳纖維酸處理時間對水泥基復(fù)合材料熱電性能的影響。結(jié)果表明：采用輾輪式混砂機可將高含量的碳纖維均勻地以單絲狀分散于水泥基體中，同時使碳纖維之間存在相互搭接現(xiàn)象；隨著碳纖維酸處理時間的延長，水泥基

7、復(fù)合材料的電導(dǎo)率雖有所降低，但其Seebeck系數(shù)、功率因數(shù)和熱電優(yōu)值卻得到顯著增加，即當(dāng)碳纖維酸處理時間為96h時，水泥基復(fù)合材料具有最高的熱電優(yōu)值，約為1.57×10-2，高出未處理碳纖維復(fù)合材料約5個數(shù)量級。酸處理碳纖維可顯著增強水泥基復(fù)合材料的熱電性能，是因為酸處理破壞了碳纖維表面的石墨微晶片層結(jié)構(gòu)，降低了碳纖維的結(jié)晶度，使碳纖維表面粗糙度、孔徑和比表面積得到顯著增加，提高了碳纖維與水泥基體的界面體積分?jǐn)?shù)，使載流子的散射得到強化