碳材料增强水泥基复合材料热电性能研究

发布时间：2019-01-10 16:53

【摘要】：热电水泥基复合材料是一种新型智能结构材料,其在降低夏季城市热岛效应和冬季道路融雪化冰等领域具有广阔的应用前景。目前,由于水泥基复合材料的Seebeck系数低、热电转换效率不高且稳定性差等原因限制了其的广泛应用,因此,为了推进水泥基复合材料的应用,本论文提出以膨胀石墨、碳纳米管和酸处理碳纤维作为增强相,通过调整试样的成型压力、导电相的比表面积(预处理方式不同)和掺量研究水泥基复合材料的热电性能,从而得出制备高热电性能水泥基复合材料的最佳工艺,同时揭示了热电性能强化机理。(1)研究了成型压力(10 MPa、20 MPa、30 MPa和40 MPa)、膨胀石墨的预处理温度(700℃、800℃和900℃)和质量分数(5.0 wt%、10.0 wt%和15.0 wt%)对水泥基复合材料热电性能的影响。结果表明:膨胀石墨水泥基复合材料(Expanded Graphite Reinforced Cement-based Composites,简写EGCC)的热电性能随着成型压力的增大而增加,且在整个变温测试区间(35-75℃)内,热电性能随着温度的升高而增强;膨胀石墨在不同预处理温度(700℃、800℃和900℃)下的BET测试结果表明,当预处理温度为800℃时,膨胀石墨具有高的氮气吸附量、累积孔体积和比表面积,从而使水泥基复合材料的热电性能得到提高;随着膨胀石墨含量的增加,水泥基复合材料的热导率和热电性能均逐渐增大。因此,当膨胀石墨热处理温度为800℃,掺量为15.0 wt%时,采用40 MPa成型压力制备的水泥基复合材料具有最高的电导率(24.56 S/cm)、绝对Seebeck系数(45.24μV/℃)和热电优值(5.48×10-4)。(2)通过对EGCC进行Hall效应测试,发现在水泥基材料中添加膨胀石墨后,其Hall系数均为负值,表明在EGCC中的主要导电载流子类型为电子载流子,属于n型半导体;随着膨胀石墨含量的增加,水泥基复合材料内部的载流子浓度和迁移率均增大,从而使水泥基复合材料获得稳定的Seebeck系数和高的电导率。(3)将质量百分含量为5.0 wt%、10.0 wt%和15.0 wt%的碳纳米管添加到水泥基体中,研究了碳纳米管水泥基体复合材料(Carbon Nanotubes Reinforced Cement-based Composites,简写CNTs CC)的热电性能。结果表明:随着碳纳米管含量的增加,水泥基复合材料的热电性能随之增加,即当碳纳米管含量为15.0 wt%时,水泥基复合材料的热电优值高达9.33×10-5。碳纳米管的掺量较高时可使水泥基复合材料的热电性能得到显著增强,但因其掺量过高和较高的比表面积,使碳纳米管在水泥基体中团聚成絮状结构,难以单丝状均匀分布,降低水泥基复合材料致密度的同时也使复合材料热电性能的稳定性变差。(4)当碳纤维掺量为1.2 wt%时,研究了碳纤维酸处理时间对水泥基复合材料热电性能的影响。结果表明:采用辗轮式混砂机可将高含量的碳纤维均匀地以单丝状分散于水泥基体中,同时使碳纤维之间存在相互搭接现象;随着碳纤维酸处理时间的延长,水泥基复合材料的电导率虽有所降低,但其Seebeck系数、功率因数和热电优值却得到显著增加,即当碳纤维酸处理时间为96 h时,水泥基复合材料具有最高的热电优值,约为1.57×10-2,高出未处理碳纤维复合材料约5个数量级。酸处理碳纤维可显著增强水泥基复合材料的热电性能,是因为酸处理破坏了碳纤维表面的石墨微晶片层结构,降低了碳纤维的结晶度,使碳纤维表面粗糙度、孔径和比表面积得到显著增加,提高了碳纤维与水泥基体的界面体积分数,使载流子的散射得到强化,从而将水泥基复合材料的热电性能提高数个量级。
[Abstract]:The thermoelectric cement-based composite material is a novel intelligent structure material, and has wide application prospect in the fields of reducing the heat island effect in the summer and the snow-melting ice in the winter road. At present, because the Seebeck coefficient of the cement-based composite material is low, the thermoelectric conversion efficiency is not high and the stability difference is poor and the like, the application of the cement-based composite material is limited, and therefore, in order to promote the application of the cement-based composite material, the expanded graphite, the carbon nano-tube and the acid-treated carbon fiber are used as the reinforcing phase, By adjusting the molding pressure of the sample, the specific surface area of the conductive phase (the pretreatment method is different) and the doping amount are used to study the thermal property of the cement-based composite material, and the optimal process for preparing the high-heat-performance cement-based composite material is obtained, and the strengthening mechanism of the thermoelectric property is also disclosed. (1) The effects of forming pressure (10 MPa, 20 MPa, 30 MPa and 40 MPa), pretreatment temperature of expanded graphite (700 鈩，

本文编号：2406557