一種提高碳纖維水泥基復(fù)合材料Seebeck系數(shù)的方法技術(shù)

一種提高碳纖維水泥基復(fù)合材料Seebeck系數(shù)的方法，在水泥基復(fù)合材料制備過程中，對碳纖維進(jìn)行酸處理，再通過干混干壓方式成型，本發(fā)明專利技術(shù)酸處理碳纖維過程簡單，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，從而使水泥基復(fù)合材料的Seebeck系數(shù)顯著增加，避免了使用未處理碳纖維帶來的復(fù)合材料熱電性能不高的問題；本發(fā)明專利技術(shù)不需要對碳纖維進(jìn)行溴插層工藝處理，避免了溴蒸汽的環(huán)境污染問題，本發(fā)明專利技術(shù)采用的干混干壓成型工藝，可顯著提高碳纖維在水泥基體的添加量，同時(shí)使碳纖維能夠均勻地分散在水泥基體中，加之成型壓強(qiáng)較高，從而使復(fù)合材料的熱電性能得到提高，避免了澆筑成型帶來的水泥基復(fù)合材料熱電性能較低的問題。

Method for increasing Seebeck coefficient of carbon fiber cement based composite material

A method for improving carbon fiber reinforced cement composite Seebeck coefficient, in cement-based composite material preparation process, acid treatment on carbon fiber mixed dry pressing molding by dry, acid treated carbon fiber of the invention has simple process, and acid treatment of carbon fibers with high specific area, can greatly improve the the contact area and the cement matrix, so that the Seebeck coefficient of cement based composite materials increased significantly, to avoid the use of untreated thermoelectric properties of carbon fiber composite material has the problem of low; the invention does not need the carbon fiber intercalation process, avoids the environmental pollution problem of bromine vapor, mixed dry pressing the invention adopts dry molding process, can significantly improve the amount of carbon fibers in the cement matrix, the carbon fiber can be uniformly dispersed in the cement matrix, coupled with high pressure molding, from The thermoelectric property of the composite is improved, and the thermoelectric property of the cement based composite material caused by the casting molding is avoided.

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
一種提高碳纖維水泥基復(fù)合材料Seebeck系數(shù)的方法
本專利技術(shù)屬于水泥基復(fù)合材料制備
，特別涉及一種提高碳纖維水泥基復(fù)合材料Seebeck系數(shù)的方法。
技術(shù)介紹
碳纖維水泥基復(fù)合材料不僅具有優(yōu)良的力學(xué)性能和壓敏性，還具有顯著的溫阻效應(yīng)、電熱和熱電效應(yīng)等。利用碳纖維水泥基復(fù)合材料的熱電效應(yīng)，可有效地將混凝土材料表面的熱能轉(zhuǎn)化為電能，從而降低城市熱島效應(yīng)。其次，在土木工程結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測領(lǐng)域，以高Seebeck系數(shù)的碳纖維水泥基復(fù)合材料為基礎(chǔ)的應(yīng)變傳感器可大幅提高結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的靈敏度、可靠性和使用壽命。因此，碳纖維水泥基復(fù)合材料是近年來國內(nèi)外發(fā)展較快的一種新型、應(yīng)用前景廣闊的智能材料。碳纖維水泥基復(fù)合材料熱電性能的優(yōu)劣與該材料的Seebeck系數(shù)、熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率密切相關(guān)，由于水泥基體具有較低的熱導(dǎo)率，因此，要實(shí)現(xiàn)碳纖維水泥基復(fù)合材料應(yīng)用的關(guān)鍵在于提高復(fù)合材料的Seebeck系數(shù)和電導(dǎo)率。然而，碳纖維水泥基復(fù)合材料較低的Seebeck系數(shù)，目前仍是導(dǎo)致碳纖維水泥基復(fù)合材料熱電性能不高的主要原因，嚴(yán)重影響著碳纖維水泥基復(fù)合材料在土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和能量回收領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展。采用各種碳纖維原料和制備工藝方法，提高碳纖維水泥基復(fù)合材料的Seebeck系數(shù)，已經(jīng)成為當(dāng)今碳纖維水泥基復(fù)合材料領(lǐng)域研究的關(guān)鍵內(nèi)容之一。文獻(xiàn)1(“M.Q.Sun,Z.Q.Li,etal,CementandConcreteResearch,1999,29(5):769-771”)公開了一種利用碳纖維來增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料Seebeck系數(shù)的方法，可使水泥基復(fù)合材料的Seebeck系數(shù)提高到12μV/℃。但是該方法獲得的水泥基復(fù)合材料Seebeck系數(shù)絕對值仍然較小，不能很好的滿足結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測傳感器與廢熱收集系統(tǒng)的應(yīng)用要求。文獻(xiàn)2(“S.H.Wen,D.D.L.Chung,CementandConcreteResearch,2000,30:1295-1298”)公開了一種利用溴插層工藝提高碳纖維導(dǎo)電空穴濃度，并以此提高水泥基復(fù)合材料Seebeck系數(shù)的方法，可使水泥基復(fù)合材料的Seebeck系數(shù)得到較大提高(從0.8μV/℃提高到17μV/℃)。但是該方法獲得的水泥基復(fù)合材料Seebeck系數(shù)絕對值仍然較小，不能很好的滿足結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測傳感器與廢熱收集系統(tǒng)的應(yīng)用要求，并且溴插層工藝中所用溴蒸汽也存在較大的環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)。文獻(xiàn)3(“陳兵,姚武,吳科如,建筑材料學(xué)報(bào),2004,7(3):261”)公開了一種利用不同長度碳纖維來增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的熱電性能。該方法發(fā)現(xiàn)較短的碳纖維，其在水泥基體內(nèi)部分散越均勻，Seebeck效應(yīng)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(nèi)會(huì)定向分布，無法形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，使Seebeck效應(yīng)線性度與可逆性變差。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本專利技術(shù)的目的在于提供一種提高碳纖維水泥基復(fù)合材料Seebeck系數(shù)的方法，解決了現(xiàn)有溴插層碳纖維工藝復(fù)雜和溴蒸汽存在較大的環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)，長碳纖維分散困難，以及未處理碳纖維水泥基復(fù)合材料熱電性能較低的問題。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本專利技術(shù)采用的技術(shù)方案是：一種提高碳纖維水泥基復(fù)合材料Seebeck系數(shù)的方法，在水泥基復(fù)合材料制備過程中，對碳纖維進(jìn)行酸處理，再通過干混干壓方式成型。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。所述水泥基復(fù)合材料主要由酸處理PAN基短切碳纖維和硅酸鹽水泥組成，或由酸處理PAN基短切碳纖維、硅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(jī)中混合20-25min，然后干壓成型并進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，形成碳纖維水泥基復(fù)合材料。所述碳纖維在水泥基復(fù)合材料中的添加量為所用水泥質(zhì)量的0.6％-1.2％。所述干壓成型的壓強(qiáng)為20-60Mpa。所述碳纖維用乙醇溶液浸泡24h后超聲處理30min，并用去離子水清洗3次，烘干備用。所述對碳纖維進(jìn)行酸處理是將乙醇處理后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(jìn)行處理12-96h，最后用去離子水超聲清洗直至溶液PH呈中性。經(jīng)過添加酸處理的PAN基短切碳纖維，顯著提高了水泥基復(fù)合材料的熱電性能。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本專利技術(shù)的有益效果是：本專利技術(shù)具有所得碳纖維水泥復(fù)合材料Seebeck系數(shù)高、熱電性能穩(wěn)定和制備工藝簡單的特點(diǎn)。本專利技術(shù)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，從而使水泥基復(fù)合材料的Seebeck系數(shù)顯著增加，避免了使用未處理碳纖維帶來的復(fù)合材料熱電性能不高的問題。本專利技術(shù)提高碳纖維水泥基復(fù)合材料Seebeck系數(shù)的方法，由于不需要對碳纖維進(jìn)行溴插層工藝處理，避免了溴蒸汽的環(huán)境污染問題。本專利技術(shù)采用的干混干壓成型工藝，可顯著提高碳纖維在水泥基體的添加量，同時(shí)使碳纖維能夠均勻地分散在水泥基體中，加之成型壓強(qiáng)較高，從而使復(fù)合材料的熱電性能得到提高，避免了澆筑成型帶來的水泥基復(fù)合材料熱電性能較低的問題。附圖說明圖1是本專利技術(shù)添加酸處理前后的碳纖維水泥基復(fù)合材料的電導(dǎo)率隨溫度變化的關(guān)系曲線。圖2是本專利技術(shù)添加酸處理前后的碳纖維水泥基復(fù)合材料的Seebeck系數(shù)隨溫度變化的關(guān)系曲線。圖3是本專利技術(shù)添加酸處理前后的碳纖維水泥基復(fù)合材料的功率因數(shù)隨溫度變化的關(guān)系曲線。圖4是本專利技術(shù)添加酸處理前后的碳纖維水泥基復(fù)合材料的熱電優(yōu)值ZT隨溫度變化的關(guān)系曲線。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例詳細(xì)說明本專利技術(shù)的實(shí)施方式。實(shí)施例1準(zhǔn)備型腔為長方體的鋼制模具，按照質(zhì)量比為1.2:100的比例，稱取未經(jīng)酸處理的碳纖維和硫鋁酸鹽水泥。利用碾輪式混砂機(jī)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制模具在壓強(qiáng)40Mpa下干壓成型，養(yǎng)護(hù)形成碳纖維水泥基復(fù)合材料試樣。利用平板加熱器使碳纖維水泥基復(fù)合材料試樣的兩個(gè)相對的側(cè)面產(chǎn)生溫差ΔT，其中一個(gè)側(cè)面被平板加熱器逐漸加熱至100℃(加熱速率為0.01℃/s)，另一個(gè)側(cè)面處于環(huán)境溫度(另一平板加熱器在10min后以同樣加熱速率加熱環(huán)境溫度)。在加熱過程中，利用自制熱電測量裝置和34972A數(shù)據(jù)采集/開關(guān)系統(tǒng)同時(shí)獲得這兩個(gè)相對的側(cè)面之間產(chǎn)生的溫差電動(dòng)勢ΔV、溫差ΔT和電阻值。然后可以獲得在加熱溫度范圍內(nèi)，電導(dǎo)率、Seebeck系數(shù)和熱電優(yōu)值ZT隨溫度變化的關(guān)系曲線，如圖1、圖2、圖3和圖4所示。實(shí)施例2準(zhǔn)備型腔為長方體的鋼制模具，按照質(zhì)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(jī)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制模具在壓強(qiáng)40Mpa下干壓成型，養(yǎng)護(hù)形成酸處理碳纖維水泥基復(fù)合材料試樣。利用平板加熱器使酸處理碳纖維水泥基復(fù)合材料試樣的兩個(gè)相對的側(cè)面產(chǎn)生溫差ΔT，其中一個(gè)側(cè)面被平板加熱器逐漸加熱至100℃(加熱速率為0.01℃/s)，另一個(gè)側(cè)面處于環(huán)境溫度(另一平板加熱器在10min后以同樣加熱速率加熱環(huán)境溫度)。在加熱過程中，利用自制熱電測量裝置和34972A數(shù)據(jù)采集/開關(guān)系統(tǒng)同時(shí)獲得這兩個(gè)相對的側(cè)面之間產(chǎn)生的溫差電動(dòng)勢ΔV、溫差ΔT和電阻本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種提高碳纖維水泥基復(fù)合材料Seebeck系數(shù)的方法，其特征在于，在水泥基復(fù)合材料制備過程中，對碳纖維進(jìn)行酸處理，再通過干混干壓方式成型。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種提高碳纖維水泥基復(fù)合材料Seebeck系數(shù)的方法，其特征在于，在水泥基復(fù)合材料制備過程中，對碳纖維進(jìn)行酸處理，再通過干混干壓方式成型。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述提高碳纖維水泥基復(fù)合材料Seebeck系數(shù)的方法，其特征在于，所述碳纖維為PAN基短切碳纖維。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述提高碳纖維水泥基復(fù)合材料Seebeck系數(shù)的方法，其特征在于，所述PAN基短切碳纖維長度為5-10mm。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述提高碳纖維水泥基復(fù)合材料Seebeck系數(shù)的方法，其特征在于，所述水泥基復(fù)合材料主要由酸處理PAN基短切碳纖維和硅酸鹽水泥組成，或由酸處理PAN基短切碳纖維、硅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。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述提高碳纖維水泥基復(fù)合材料Seebeck系數(shù)的方法，其特征在于，所述酸處理PAN基短切碳纖維，與其它原料在碾輪式混砂機(jī)中混合20-25min，然后干...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：魏劍，趙莉莉，張倩，聶證博，郝磊，
申請(專利權(quán))人：西安建筑科技大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：陜西,61