一種提高碳纖維水泥基複合材料Seebeck係數的方法與流程

2023-10-11 14:30:49

本發明屬於水泥基複合材料製備技術領域，特別涉及一種提高碳纖維水泥基複合材料Seebeck係數的方法。

背景技術：

碳纖維水泥基複合材料不僅具有優良的力學性能和壓敏性，還具有顯著的溫阻效應、電熱和熱電效應等。利用碳纖維水泥基複合材料的熱電效應，可有效地將混凝土材料表面的熱能轉化為電能，從而降低城市熱島效應。其次，在土木工程結構的健康監測領域，以高Seebeck係數的碳纖維水泥基複合材料為基礎的應變傳感器可大幅提高結構健康監測的靈敏度、可靠性和使用壽命。因此，碳纖維水泥基複合材料是近年來國內外發展較快的一種新型、應用前景廣闊的智能材料。

碳纖維水泥基複合材料熱電性能的優劣與該材料的Seebeck係數、熱導率和電導率密切相關，由於水泥基體具有較低的熱導率，因此，要實現碳纖維水泥基複合材料應用的關鍵在於提高複合材料的Seebeck係數和電導率。然而，碳纖維水泥基複合材料較低的Seebeck係數，目前仍是導致碳纖維水泥基複合材料熱電性能不高的主要原因，嚴重影響著碳纖維水泥基複合材料在土木工程結構健康監測和能量回收領域的應用和發展。採用各種碳纖維原料和製備工藝方法，提高碳纖維水泥基複合材料的Seebeck係數，已經成為當今碳纖維水泥基複合材料領域研究的關鍵內容之一。

文獻1(「M.Q.Sun,Z.Q.Li,et al,Cement and Concrete Research,1999,29(5):769-771」)公開了一種利用碳纖維來增強水泥基複合材料Seebeck係數的方法，可使水泥基複合材料的Seebeck係數提高到12μV/℃。但是該方法獲得的水泥基複合材料Seebeck係數絕對值仍然較小，不能很好的滿足結構健康監測傳感器與廢熱收集系統的應用要求。

文獻2(「S.H.Wen,D.D.L.Chung,Cement and Concrete Research,2000,30:1295-1298」)公開了一種利用溴插層工藝提高碳纖維導電空穴濃度，並以此提高水泥基複合材料Seebeck係數的方法，可使水泥基複合材料的Seebeck係數得到較大提高(從0.8μV/℃提高到17μV/℃)。但是該方法獲得的水泥基複合材料Seebeck係數絕對值仍然較小，不能很好的滿足結構健康監測傳感器與廢熱收集系統的應用要求，並且溴插層工藝中所用溴蒸汽也存在較大的環境汙染風險。

文獻3(「陳兵,姚武,吳科如,建築材料學報,2004,7(3):261」)公開了一種利用不同長度碳纖維來增強水泥基複合材料的熱電性能。該方法發現較短的碳纖維，其在水泥基體內部分散越均勻，Seebeck效應的線性度與可逆性越好；隨著碳纖維長度的增大，碳纖維在水泥基體內會定向分布，無法形成導電網絡，使Seebeck效應線性度與可逆性變差。

技術實現要素：

為了克服上述現有技術的缺點，本發明的目的在於提供一種提高碳纖維水泥基複合材料Seebeck係數的方法，解決了現有溴插層碳纖維工藝複雜和溴蒸汽存在較大的環境汙染風險，長碳纖維分散困難，以及未處理碳纖維水泥基複合材料熱電性能較低的問題。

為了實現上述目的，本發明採用的技術方案是：

一種提高碳纖維水泥基複合材料Seebeck係數的方法，在水泥基複合材料製備過程中，對碳纖維進行酸處理，再通過幹混幹壓方式成型。

所述碳纖維為PAN基短切碳纖維。

所述PAN基短切碳纖維長度為5-10mm。

所述水泥基複合材料主要由酸處理PAN基短切碳纖維和矽酸鹽水泥組成，或由酸處理PAN基短切碳纖維、矽酸鹽水泥和骨料組成，或由酸處理PAN基短切碳纖維和硫鋁酸鹽水泥組成，或由酸處理PAN基短切碳纖維、硫鋁酸鹽水泥和骨料組成。

所述酸處理PAN基短切碳纖維，與其它原料在碾輪式混砂機中混合20-25min，然後幹壓成型並進行養護，形成碳纖維水泥基複合材料。

所述碳纖維在水泥基複合材料中的添加量為所用水泥質量的0.6％-1.2％。

所述幹壓成型的壓強為20-60Mpa。

所述碳纖維用乙醇溶液浸泡24h後超聲處理30min，並用去離子水清洗3次，烘乾備用。

所述對碳纖維進行酸處理是將乙醇處理後的碳纖維浸泡在濃硫酸與濃硝酸體積比為3:1的混合酸中進行處理12-96h，最後用去離子水超聲清洗直至溶液PH呈中性。

經過添加酸處理的PAN基短切碳纖維，顯著提高了水泥基複合材料的熱電性能。

與現有技術相比，本發明的有益效果是：本發明具有所得碳纖維水泥複合材料Seebeck係數高、熱電性能穩定和製備工藝簡單的特點。本發明使用的酸處理碳纖維的處理過程簡單，且酸處理碳纖維的比表面積較高，可大幅提高其與水泥基體的接觸面積，從而使水泥基複合材料的Seebeck係數顯著增加，避免了使用未處理碳纖維帶來的複合材料熱電性能不高的問題。本發明提高碳纖維水泥基複合材料Seebeck係數的方法，由於不需要對碳纖維進行溴插層工藝處理，避免了溴蒸汽的環境汙染問題。本發明採用的幹混幹壓成型工藝，可顯著提高碳纖維在水泥基體的添加量，同時使碳纖維能夠均勻地分散在水泥基體中，加之成型壓強較高，從而使複合材料的熱電性能得到提高，避免了澆築成型帶來的水泥基複合材料熱電性能較低的問題。

附圖說明

圖1是本發明添加酸處理前後的碳纖維水泥基複合材料的電導率隨溫度變化的關係曲線。

圖2是本發明添加酸處理前後的碳纖維水泥基複合材料的Seebeck係數隨溫度變化的關係曲線。

圖3是本發明添加酸處理前後的碳纖維水泥基複合材料的功率因數隨溫度變化的關係曲線。

圖4是本發明添加酸處理前後的碳纖維水泥基複合材料的熱電優值ZT隨溫度變化的關係曲線。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例詳細說明本發明的實施方式。

實施例1

準備型腔為長方體的鋼製模具，按照質量比為1.2:100的比例，稱取未經酸處理的碳纖維和硫鋁酸鹽水泥。

利用碾輪式混砂機使未處理碳纖維均勻分散在水泥基體中，將混合均勻的粉料用鋼製模具在壓強40Mpa下幹壓成型，養護形成碳纖維水泥基複合材料試樣。

利用平板加熱器使碳纖維水泥基複合材料試樣的兩個相對的側面產生溫差ΔT，其中一個側面被平板加熱器逐漸加熱至100℃(加熱速率為0.01℃/s)，另一個側面處於環境溫度(另一平板加熱器在10min後以同樣加熱速率加熱環境溫度)。在加熱過程中，利用自製熱電測量裝置和34972A數據採集/開關系統同時獲得這兩個相對的側面之間產生的溫差電動勢ΔV、溫差ΔT和電阻值。然後可以獲得在加熱溫度範圍內，電導率、Seebeck係數和熱電優值ZT隨溫度變化的關係曲線，如圖1、圖2、圖3和圖4所示。

實施例2

準備型腔為長方體的鋼製模具，按照質量比為1.2:100的比例，稱取酸處理碳纖維和硫鋁酸鹽水泥。

利用碾輪式混砂機使酸處理碳纖維均勻分散在水泥基體中，將混合均勻的粉料用鋼製模具在壓強40Mpa下幹壓成型，養護形成酸處理碳纖維水泥基複合材料試樣。

利用平板加熱器使酸處理碳纖維水泥基複合材料試樣的兩個相對的側面產生溫差ΔT，其中一個側面被平板加熱器逐漸加熱至100℃(加熱速率為0.01℃/s)，另一個側面處於環境溫度(另一平板加熱器在10min後以同樣加熱速率加熱環境溫度)。在加熱過程中，利用自製熱電測量裝置和34972A數據採集/開關系統同時獲得這兩個相對的側面之間產生的溫差電動勢ΔV、溫差ΔT和電阻值。然後可以獲得在加熱溫度範圍內，電導率、Seebeck係數和熱電優值ZT隨溫度變化的關係曲線，如圖1、圖2、圖3和圖4所示。

實施例3

準備型腔為長方體的鋼製模具，按照質量比為1:100的比例，稱取酸處理碳纖維和矽酸鹽水泥，同時加入適量骨料。

利用碾輪式混砂機使酸處理碳纖維均勻分散在水泥基體中，將混合均勻的粉料用鋼製模具在壓強60Mpa下幹壓成型，養護形成酸處理碳纖維水泥基複合材料試樣。

利用平板加熱器使酸處理碳纖維水泥基複合材料試樣的兩個相對的側面產生溫差ΔT，其中一個側面被平板加熱器逐漸加熱至100℃(加熱速率為0.01℃/s)，另一個側面處於環境溫度(另一平板加熱器在10min後以同樣加熱速率加熱環境溫度)。在加熱過程中，利用自製熱電測量裝置和34972A數據採集/開關系統同時獲得這兩個相對的側面之間產生的溫差電動勢ΔV、溫差ΔT和電阻值。然後可以獲得在加熱溫度範圍內，電導率、Seebeck係數和熱電優值ZT隨溫度變化的關係曲線。

實施例4

準備型腔為長方體的鋼製模具，按照質量比為0.6:100的比例，稱取酸處理碳纖維和硫鋁酸鹽水泥。

利用碾輪式混砂機使酸處理碳纖維均勻分散在水泥基體中，將混合均勻的粉料用鋼製模具在壓強40Mpa下幹壓成型，養護形成酸處理碳纖維水泥基複合材料試樣。

利用平板加熱器使酸處理碳纖維水泥基複合材料試樣的兩個相對的側面產生溫差ΔT，其中一個側面被平板加熱器逐漸加熱至100℃(加熱速率為0.01℃/s)，另一個側面處於環境溫度(另一平板加熱器在10min後以同樣加熱速率加熱環境溫度)。在加熱過程中，利用自製熱電測量裝置和34972A數據採集/開關系統同時獲得這兩個相對的側面之間產生的溫差電動勢ΔV、溫差ΔT和電阻值。然後可以獲得在加熱溫度範圍內，電導率、Seebeck係數和熱電優值ZT隨溫度變化的關係曲線。

參閱圖1所示，本發明獲得的酸處理碳纖維水泥基複合材料的電導率較低。

參閱圖2、圖3和圖4所示，本發明獲得的酸處理碳纖維水泥基複合材料的Seebeck係數、功率因數和熱電優值ZT均較高。

本發明中，碳纖維為PAN基短切碳纖維，長度範圍大約5-10mm，其酸處理的過程是：

先用乙醇溶液浸泡24h後超聲處理30min，並用去離子水清洗3次，烘乾備用。

然後浸泡在濃硫酸與濃硝酸體積比為3:1的混合酸中處理12-96h，最後用去離子水超聲清洗直至溶液PH呈中性。

以上所述僅為本發明的一種實施方式，不是全部或唯一的實施方式，本領域普通技術人員通過閱讀本發明說明書而對本發明技術方案採取的任何等效的變換，均為本發明的權利要求所涵蓋。