一种提高碳纤维水泥基复合材料Seebeck系数的方法

摘要

一种提高碳纤维水泥基复合材料Seebeck系数的方法，在水泥基复合材料制备过程中，对碳纤维进行酸处理，再通过干混干压方式成型，本发明酸处理碳纤维过程简单，且酸处理碳纤维的比表面积较高，可大幅提高其与水泥基体的接触面积，从而使水泥基复合材料的Seebeck系数显著增加，避免了使用未处理碳纤维带来的复合材料热电性能不高的问题；本发明不需要对碳纤维进行溴插层工艺处理，避免了溴蒸汽的环境污染问题，本发明采用的干混干压成型工艺，可显著提高碳纤维在水泥基体的添加量，同时使碳纤维能够均匀地分散在水泥基体中，加之成型压强较高，从而使复合材料的热电性能得到提高，避免了浇筑成型带来的水泥基复合材料热电性能较低的问题。

说明书

技术领域

本发明属于水泥基复合材料制备技术领域，特别涉及一种提高碳纤维水泥基复合材料Seebeck系数的方法。

背景技术

碳纤维水泥基复合材料不仅具有优良的力学性能和压敏性，还具有显著的温阻效应、电热和热电效应等。利用碳纤维水泥基复合材料的热电效应，可有效地将混凝土材料表面的热能转化为电能，从而降低城市热岛效应。其次，在土木工程结构的健康监测领域，以高Seebeck系数的碳纤维水泥基复合材料为基础的应变传感器可大幅提高结构健康监测的灵敏度、可靠性和使用寿命。因此，碳纤维水泥基复合材料是近年来国内外发展较快的一种新型、应用前景广阔的智能材料。

碳纤维水泥基复合材料热电性能的优劣与该材料的Seebeck系数、热导率和电导率密切相关，由于水泥基体具有较低的热导率，因此，要实现碳纤维水泥基复合材料应用的关键在于提高复合材料的Seebeck系数和电导率。然而，碳纤维水泥基复合材料较低的Seebeck系数，目前仍是导致碳纤维水泥基复合材料热电性能不高的主要原因，严重影响着碳纤维水泥基复合材料在土木工程结构健康监测和能量回收领域的应用和发展。采用各种碳纤维原料和制备工艺方法，提高碳纤维水泥基复合材料的Seebeck系数，已经成为当今碳纤维水泥基复合材料领域研究的关键内容之一。

文献1(“M.Q.Sun,Z.Q.Li,et al,Cement and Concrete Research,1999,29(5):769-771”)公开了一种利用碳纤维来增强水泥基复合材料Seebeck系数的方法，可使水泥基复合材料的Seebeck系数提高到12μV/℃。但是该方法获得的水泥基复合材料Seebeck系数绝对值仍然较小，不能很好的满足结构健康监测传感器与废热收集系统的应用要求。

文献2(“S.H.Wen,D.D.L.Chung,Cement and Concrete Research,2000,30:1295-1298”)公开了一种利用溴插层工艺提高碳纤维导电空穴浓度，并以此提高水泥基复合材料Seebeck系数的方法，可使水泥基复合材料的Seebeck系数得到较大提高(从0.8μV/℃提高到17μV/℃)。但是该方法获得的水泥基复合材料Seebeck系数绝对值仍然较小，不能很好的满足结构健康监测传感器与废热收集系统的应用要求，并且溴插层工艺中所用溴蒸汽也存在较大的环境污染风险。

文献3(“陈兵,姚武,吴科如,建筑材料学报,2004,7(3):261”)公开了一种利用不同长度碳纤维来增强水泥基复合材料的热电性能。该方法发现较短的碳纤维，其在水泥基体内部分散越均匀，Seebeck效应的线性度与可逆性越好；随着碳纤维长度的增大，碳纤维在水泥基体内会定向分布，无法形成导电网络，使Seebeck效应线性度与可逆性变差。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种提高碳纤维水泥基复合材料Seebeck系数的方法，解决了现有溴插层碳纤维工艺复杂和溴蒸汽存在较大的环境污染风险，长碳纤维分散困难，以及未处理碳纤维水泥基复合材料热电性能较低的问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种提高碳纤维水泥基复合材料Seebeck系数的方法，在水泥基复合材料制备过程中，对碳纤维进行酸处理，再通过干混干压方式成型。

所述碳纤维为PAN基短切碳纤维。

所述PAN基短切碳纤维长度为5-10mm。

所述水泥基复合材料主要由酸处理PAN基短切碳纤维和硅酸盐水泥组成，或由酸处理PAN基短切碳纤维、硅酸盐水泥和骨料组成，或由酸处理PAN基短切碳纤维和硫铝酸盐水泥组成，或由酸处理PAN基短切碳纤维、硫铝酸盐水泥和骨料组成。

所述酸处理PAN基短切碳纤维，与其它原料在碾轮式混砂机中混合20-25min，然后干压成型并进行养护，形成碳纤维水泥基复合材料。

所述碳纤维在水泥基复合材料中的添加量为所用水泥质量的0.6％-1.2％。

所述干压成型的压强为20-60Mpa。

所述碳纤维用乙醇溶液浸泡24h后超声处理30min，并用去离子水清洗3次，烘干备用。

所述对碳纤维进行酸处理是将乙醇处理后的碳纤维浸泡在浓硫酸与浓硝酸体积比为3:1的混合酸中进行处理12-96h，最后用去离子水超声清洗直至溶液PH呈中性。

经过添加酸处理的PAN基短切碳纤维，显著提高了水泥基复合材料的热电性能。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明具有所得碳纤维水泥复合材料Seebeck系数高、热电性能稳定和制备工艺简单的特点。本发明使用的酸处理碳纤维的处理过程简单，且酸处理碳纤维的比表面积较高，可大幅提高其与水泥基体的接触面积，从而使水泥基复合材料的Seebeck系数显著增加，避免了使用未处理碳纤维带来的复合材料热电性能不高的问题。本发明提高碳纤维水泥基复合材料Seebeck系数的方法，由于不需要对碳纤维进行溴插层工艺处理，避免了溴蒸汽的环境污染问题。本发明采用的干混干压成型工艺，可显著提高碳纤维在水泥基体的添加量，同时使碳纤维能够均匀地分散在水泥基体中，加之成型压强较高，从而使复合材料的热电性能得到提高，避免了浇筑成型带来的水泥基复合材料热电性能较低的问题。

附图说明

图1是本发明添加酸处理前后的碳纤维水泥基复合材料的电导率随温度变化的关系曲线。

图2是本发明添加酸处理前后的碳纤维水泥基复合材料的Seebeck系数随温度变化的关系曲线。

图3是本发明添加酸处理前后的碳纤维水泥基复合材料的功率因数随温度变化的关系曲线。

图4是本发明添加酸处理前后的碳纤维水泥基复合材料的热电优值ZT随温度变化的关系曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

实施例1

准备型腔为长方体的钢制模具，按照质量比为1.2:100的比例，称取未经酸处理的碳纤维和硫铝酸盐水泥。

利用碾轮式混砂机使未处理碳纤维均匀分散在水泥基体中，将混合均匀的粉料用钢制模具在压强40Mpa下干压成型，养护形成碳纤维水泥基复合材料试样。

利用平板加热器使碳纤维水泥基复合材料试样的两个相对的侧面产生温差ΔT，其中一个侧面被平板加热器逐渐加热至100℃(加热速率为0.01℃/s)，另一个侧面处于环境温度(另一平板加热器在10min后以同样加热速率加热环境温度)。在加热过程中，利用自制热电测量装置和34972A数据采集/开关系统同时获得这两个相对的侧面之间产生的温差电动势ΔV、温差ΔT和电阻值。然后可以获得在加热温度范围内，电导率、Seebeck系数和热电优值ZT随温度变化的关系曲线，如图1、图2、图3和图4所示。

实施例2

准备型腔为长方体的钢制模具，按照质量比为1.2:100的比例，称取酸处理碳纤维和硫铝酸盐水泥。

利用碾轮式混砂机使酸处理碳纤维均匀分散在水泥基体中，将混合均匀的粉料用钢制模具在压强40Mpa下干压成型，养护形成酸处理碳纤维水泥基复合材料试样。

利用平板加热器使酸处理碳纤维水泥基复合材料试样的两个相对的侧面产生温差ΔT，其中一个侧面被平板加热器逐渐加热至100℃(加热速率为0.01℃/s)，另一个侧面处于环境温度(另一平板加热器在10min后以同样加热速率加热环境温度)。在加热过程中，利用自制热电测量装置和34972A数据采集/开关系统同时获得这两个相对的侧面之间产生的温差电动势ΔV、温差ΔT和电阻值。然后可以获得在加热温度范围内，电导率、Seebeck系数和热电优值ZT随温度变化的关系曲线，如图1、图2、图3和图4所示。

实施例3

准备型腔为长方体的钢制模具，按照质量比为1:100的比例，称取酸处理碳纤维和硅酸盐水泥，同时加入适量骨料。

利用碾轮式混砂机使酸处理碳纤维均匀分散在水泥基体中，将混合均匀的粉料用钢制模具在压强60Mpa下干压成型，养护形成酸处理碳纤维水泥基复合材料试样。

利用平板加热器使酸处理碳纤维水泥基复合材料试样的两个相对的侧面产生温差ΔT，其中一个侧面被平板加热器逐渐加热至100℃(加热速率为0.01℃/s)，另一个侧面处于环境温度(另一平板加热器在10min后以同样加热速率加热环境温度)。在加热过程中，利用自制热电测量装置和34972A数据采集/开关系统同时获得这两个相对的侧面之间产生的温差电动势ΔV、温差ΔT和电阻值。然后可以获得在加热温度范围内，电导率、Seebeck系数和热电优值ZT随温度变化的关系曲线。

实施例4

准备型腔为长方体的钢制模具，按照质量比为0.6:100的比例，称取酸处理碳纤维和硫铝酸盐水泥。

利用碾轮式混砂机使酸处理碳纤维均匀分散在水泥基体中，将混合均匀的粉料用钢制模具在压强40Mpa下干压成型，养护形成酸处理碳纤维水泥基复合材料试样。

利用平板加热器使酸处理碳纤维水泥基复合材料试样的两个相对的侧面产生温差ΔT，其中一个侧面被平板加热器逐渐加热至100℃(加热速率为0.01℃/s)，另一个侧面处于环境温度(另一平板加热器在10min后以同样加热速率加热环境温度)。在加热过程中，利用自制热电测量装置和34972A数据采集/开关系统同时获得这两个相对的侧面之间产生的温差电动势ΔV、温差ΔT和电阻值。然后可以获得在加热温度范围内，电导率、Seebeck系数和热电优值ZT随温度变化的关系曲线。

参阅图1所示，本发明获得的酸处理碳纤维水泥基复合材料的电导率较低。

参阅图2、图3和图4所示，本发明获得的酸处理碳纤维水泥基复合材料的Seebeck系数、功率因数和热电优值ZT均较高。

本发明中，碳纤维为PAN基短切碳纤维，长度范围大约5-10mm，其酸处理的过程是：

先用乙醇溶液浸泡24h后超声处理30min，并用去离子水清洗3次，烘干备用。

然后浸泡在浓硫酸与浓硝酸体积比为3:1的混合酸中处理12-96h，最后用去离子水超声清洗直至溶液PH呈中性。

以上所述仅为本发明的一种实施方式，不是全部或唯一的实施方式，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。