一種高效水泥基熱電材料及其製備方法與流程

2023-10-09 01:22:39 1

本發明屬於熱電材料領域，具體涉及一種高效水泥基熱(三氧化二鐵複合水泥基)電材料及其製備方法。
背景技術：
：能源是人類活動的物質基礎，人類社會的發展離不開優質能源的出現和先進能源技術的使用。考慮到化石能源的日益枯竭及其使用產生的環境問題，對於獲取可持續、清潔能源的興趣日益濃厚。熱電材料可利用材料兩端的溫差直接將熱能轉化為電能，這一過程是通過熱能激發材料內部載流子的定向運動實現的。用熱電材料製作的元件具有綠色環保，運行時無噪音、免維護和安全可靠等優點，在利用太陽能及工業餘熱等一些低品位熱源領域具有廣泛的應用前景。水泥基複合材料是目前應用最為廣泛的建築材料，在城市建築、道路、橋梁、水利等工程中佔據著重要地位。這些水泥基複合材料的結構在使用過程中由於受到太陽光照射，會在其內外兩側產生溫差。同時，作為城市建築牆壁的主體材料，夏季和冬季牆體兩側產生的溫差由於室內製冷或制熱作用會超過20℃，因此水泥基複合材料結構中溫差發電的利用將具有非常大的發展潛力。但是普通熱電材料一般價格昂貴，與混凝土結構相容性不佳，受到荷載作用容易損壞，難以在混凝土結構中廣泛使用。技術實現要素：本發明目的在於提供一種高效水泥基(三氧化二鐵複合水泥基)熱電材料及其製備方法。為解決上述技術問題，本發明採用的技術方案為：一種高效水泥基熱電材料，高效水泥基熱電材料為水泥中添加納米三氧化二鐵粉體作為熱電組分；其中，熱電組分添加量佔水泥質量的1％-5％。所述納米三氧化二鐵粉體為採用化學沉澱法製得，粒徑範圍為1-100nm。所述納米三氧化二鐵顆粒為將氯化鐵溶液與尿素按摩爾比為1:2-1:4的比例混合在90-100℃下加熱反應3-5h，反應後的粉末在500-550℃的馬弗爐中煅燒3-5h，即得到目標產物納米三氧化二鐵。所述高效水泥基熱電材料由水泥、水、超細矽質礦物外加劑、熱電組分和高效減水劑；其中，水、超細矽質礦物外加劑、熱電組分和高效減水劑的添加量分別佔水泥質量的35％-45％、5％-15％、1％-5％、0.5％-2.5％。所述水泥為矽酸鹽水泥或普通矽酸鹽水泥，強度等級為42.5或52.5；所述高效減水劑為減水率20％-30％的聚羧酸系高效減水劑；所述的超細矽質礦物外加劑為超細矽灰，比表面積不小於15000m2/kg，sio2含量不低於90％。一種高效水泥基熱電材料的製備方法，將作為熱電組分的納米三氧化二鐵粉體製成懸浮液加入至水泥中攪拌均勻後成型，再經標準養護即可。將作為熱電組分的納米三氧化二鐵粉體加入到水中進行超聲分散形成懸浮液，而後按照上述比例依次加入減水劑、水泥和矽灰，用水泥淨漿攪拌機進行梯度攪拌使其攪拌均勻後成型，再經過標準養護即可。所述熱電組分為化學沉澱法製備的納米三氧化二鐵，粒徑範圍為1-100nm。具體方法為將氯化鐵溶液與尿素按摩爾比為1:2-1:4的比例混合在90-100℃下加熱反應3-5小時，反應後的粉末在500-550℃的馬弗爐中煅燒3-5h，即得到目標產物納米三氧化二鐵。所述梯度攪拌為首先以60-65轉/分的速度慢速攪拌3-4分鐘，而後再以125-135轉/分的速度快速攪拌2-3分鐘。所述標準養護為20℃，95％相對溼度養護28天。所述的水泥為矽酸鹽水泥或普通矽酸鹽水泥，強度等級為42.5或52.5。所述的高效減水劑為減水率20％的同樹牌聚羧酸高效減水劑。按上述方案：所述的超細矽質礦物外加劑為超細矽灰，比表面積不小於15000m2/kg，sio2含量不低於90％。原理：對於本發明的水泥基熱電材料而言，通過在其製備過程中添加納米熱電組分，使得水泥基複合材料的熱電性能顯著提高。水泥基複合材料中加入納米尺度熱電組分後引起量子約束效應，提高載流子在費米面附近的能量梯度，降低晶格熱導率，最終提高材料的熱電效率。本發明的有益效果：本發明的高效水泥基熱電材料熱電性能高，製備成本低，便於應用推廣。與傳統的水泥基熱電材料相比，本發明該高效水泥基熱電材料養護28d後熱電係數達到1000μv/℃以上(而以往的碳纖維複合水泥基材料、鋼纖維複合水泥基材料以及鋼渣複合水泥基材料的熱電係數一般不超過100μv/℃)。附圖說明圖1為水泥基熱電材料熱電效應測試示意圖。圖2為本發明實施例提供的水泥基熱電材料電壓隨溫差變化關係圖。圖3為本發明製備的納米三氧化二鐵掃描xrd圖，x-射線粉末衍射的特徵峰與標準卡片pdf89-0597相同，說明為純淨的α-fe2o3。圖4為本發明製備的納米三氧化二鐵掃描電鏡圖。具體實施方式下面結合以下實施例對本發明的
發明內容作詳細說明。實施例將普通矽酸鹽水泥、水、矽灰、減水劑以及納米三氧化二鐵粉末按照表1配比取料(以各組分與水泥的質量百分比計)後，先將納米三氧化二鐵粉末加入到水中超聲分散15分鐘，再將同樹牌聚羧酸減水劑、普通矽酸鹽水泥和矽灰加入懸浮液中用水泥淨漿攪拌機以60轉/分鐘的慢速下攪拌3分鐘、再以130轉/分鐘的快速下攪拌2分鐘，攪拌均勻後在20℃，95％相對溼度養護28天。上述納米三氧化二鐵粉末的製備為：具體方法為將氯化鐵溶液與尿素按摩爾比為1:3的比例混合在95℃下加熱反應4h，反應後的粉末在520℃的馬弗爐中煅燒4h，即得到目標產物納米三氧化二鐵(目標產物測試表徵參見圖3和4)。由圖3和4可見製備出的產物為純淨的α-fe2o3，粒徑在100nm以內，略有團聚。所用水泥為山東山水水泥廠生產的42.5普通矽酸鹽水泥。矽灰為elken公司提供的超細矽灰，平均粒徑0.15-0.20μm，比表面積約18000m2/kg。對照例1:將普通矽酸鹽水泥、水、矽灰、減水劑按照表1對照例1中配比取料(以各組分與水泥的質量百分比計)後，將同樹牌聚羧酸減水劑、普通矽酸鹽水泥和矽灰依次加入水中用水泥淨漿攪拌機以60轉/分鐘的慢速下攪拌3分鐘、再以130轉/分鐘的快速下攪拌2分鐘，攪拌均勻後在20℃，95％相對溼度養護28天。表1各實施例中水泥基熱電材料的配合比設計編號水泥水矽灰減水劑三氧化二鐵實施例1100％42％10％1.0％1.0％實施例2100％42％10％1.5％2.0％實施例3100％42％15％1.0％3.0％實施例4100％40％15％1.5％4.0％實施例5100％40％5％0.5％5.0％對照例1100％42％10％1.0％0將以上各實施例製得的水泥基熱電材料按照圖1所示的方式進行熱電性能測試：材料的兩端分別與銅片相連，材料的一端用平板式電阻絲加熱器以0.05℃/min的速率加熱，另一端用水冷降溫。試件兩端的溫差通過k型熱電偶監測，產生的電壓通過flukeb15型萬用表監測，電壓與溫差變化的關係如圖2所示。根據電壓隨溫差的變化(二者的比值)，可以計算出當三氧化二鐵的摻量為1.0％時，其熱電係數就已經超過1000μv/℃，且摻量越高，其熱電係數越高，由此可見通過在其製備過程中添加納米熱電組分，使得水泥基複合材料的熱電性能顯著提高。水泥基複合材料中加入納米尺度熱電組分後引起量子約束效應，提高載流子在費米面附近的能量梯度，降低晶格熱導率，最終提高材料的熱電效率。當前第1頁12