本發(fā)明屬于水泥基復(fù)合材料制備技術(shù)領(lǐng)域，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。

背景技術(shù)：

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(cè)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(cè)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(cè)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,et al,Cement and Concrete Research,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(duì)值仍然較小，不能很好的滿足結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)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,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(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(duì)值仍然較小，不能很好的滿足結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)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)要素：

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明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，本發(fā)明采用的技術(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(duì)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(duì)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，本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明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)。本發(fā)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(duì)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是本發(fā)明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是本發(fā)明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是本發(fā)明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是本發(fā)明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)說明本發(fā)明的實(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(duì)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(cè)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(duì)的側(cè)面之間產(chǎn)生的溫差電動(dòng)勢(shì)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(duì)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(cè)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(duì)的側(cè)面之間產(chǎn)生的溫差電動(dòng)勢(shì)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3

準(zhǔn)備型腔為長方體的鋼制模具，按照質(zhì)量比為1:100的比例，稱取酸處理碳纖維和硅酸鹽水泥，同時(shí)加入適量骨料。

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)60Mpa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(duì)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(cè)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(duì)的側(cè)面之間產(chǎn)生的溫差電動(dòng)勢(shì)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。

實(shí)施例4

準(zhǔn)備型腔為長方體的鋼制模具，按照質(zhì)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(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(duì)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(cè)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(duì)的側(cè)面之間產(chǎn)生的溫差電動(dòng)勢(shì)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。

參閱圖1所示，本發(fā)明獲得的酸處理碳纖維水泥基復(fù)合材料的電導(dǎo)率較低。

參閱圖2、圖3和圖4所示，本發(fā)明獲得的酸處理碳纖維水泥基復(fù)合材料的Seebeck系數(shù)、功率因數(shù)和熱電優(yōu)值ZT均較高。

本發(fā)明中，碳纖維為PAN基短切碳纖維，長度范圍大約5-10mm，其酸處理的過程是：

先用乙醇溶液浸泡24h后超聲處理30min，并用去離子水清洗3次，烘干備用。

然后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，最后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(fā)明的一種實(shí)施方式，不是全部或唯一的實(shí)施方式，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員通過閱讀本發(fā)明說明書而對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案采取的任何等效的變換，均為本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。