碳材料增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料熱電性能研究.pdf_第1頁
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文檔簡介

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(jìn)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(qiáng)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(shí)揭示了熱電性能強(qiáng)化機(jī)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(duì)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(gè)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(qiáng);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(shí),膨脹石墨具有高的氮?dú)馕搅俊⒗鄯e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(shí),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(duì)Seebeck系數(shù)(45.24μV/℃)和熱電優(yōu)值(5.48×10-4)。
 ?。?)通過對(duì)EGCC進(jìn)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(shí),水泥基復(fù)合材料的熱電優(yōu)值高達(dá)9.33×10-5。碳納米管的摻量較高時(shí)可

6、使水泥基復(fù)合材料的熱電性能得到顯著增強(qiáng),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(tuán)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(shí)也使復(fù)合材料熱電性能的穩(wěn)定性變差。
 ?。?)當(dāng)碳纖維摻量為1.2wt%時(shí),研究了碳纖維酸處理時(shí)間對(duì)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(jī)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(shí)使碳纖維之間存在相互搭接現(xiàn)象;隨著碳纖維酸處理時(shí)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(shí)間為96h時(shí),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(gè)數(shù)量級(jí)。酸處理碳纖維可顯著增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的熱電性能,是因?yàn)樗崽幚砥茐牧颂祭w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(qiáng)化

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