一种提高水泥基复合材料热电性能的方法与流程

本发明属于水泥基复合材料的制备技术领域，特别涉及一种提高水泥基复合材料热电性能的方法。

背景技术：

水泥基复合材料具有的热电效应，可有效地将材料表面聚集的热量转化为电能，并且通过能量回收电路存储在储能装置中。在土木工程结构的健康监测领域，具有高Seebeck系数的水泥基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。同时，水泥基复合材料优异的热电性能在道路太阳能热转化收集，以及大型工业窑炉的废热回收利用等方面具有重要的应用前景，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。

水泥基复合材料热电性能的优劣可定量的用优值表示ZT＝S²σT/κ，由于水泥基体具有较低的热导率，因此，要强化水泥基复合材料的热电性能，就必须显著提高其Seebeck系数和电导率。水泥基复合材料热电性能不高，严重影响着其在土木工程结构健康监测和能量回收领域的应用和发展，通过在水泥基体中添加高导电材料、高热电材料和改善制备工艺等措施来提高水泥基复合材料的Seebeck系数和电导率，同时降低热导率，促使其得到广泛的应用。

以往增强水泥基复合材料力学和热电等性能主要是采用碳纤维作为增强相，对膨胀石墨的研究较少，这主要是因为膨胀石墨会显著降低复合材料强度。然而，通过采用干压成型工艺和特殊的养护方式制备的膨胀石墨-水泥基复合材料，其力学性能和热电性能均较高。

文献1(唐祖全,李卓球,徐东亮，武汉理工大学学报，2001,23(3):5-7)公开了一种碳纤维混凝土的制备方法。该方法先将甲基纤维素溶于水，然后加入短切碳纤维进行搅拌分散，再加入水泥搅拌均匀后浇筑成型并养护但是甲基纤维素会使碳纤维混凝土的电导率降低，且浇筑成型工艺所得试样孔隙率较高。

文献2(“赵文艳,张文福,马昌恒,才英俊,朱殿瑞，大庆石油学院学报，2008,32:83-85+92”)公开了一种添加鳞片石墨的石墨导电混凝土。该混凝土的Seebeck系数可达2.27mV/℃，且浇筑成型制备工艺简单。但是由于所用石墨的鳞片状形貌和石墨较大的比表面积，导致该混凝土制备过程中水灰比较大，硬化后力学性能也大幅降低，仅能用于某些强度要求不高的工程局部部位。

文献3(“Sivaraja Muthusamy,Shoukai Wang,D.D.L.Chung,Carbon,2010,48:1457-1464”)公开了一种利用干压成型工艺制备膨胀石墨-水泥基复合材料的方法及其养护工艺。该研究采用压强为5.6Mpa干压成型并将压制成型的试样暴露于潮湿环境中2天后浸入水中养护26天的方法制备膨胀石墨-水泥基复合材料。当膨胀石墨含量为7.7vol％的抗压强度高达278Mpa，当膨胀石墨含量为13vol％的表面电导率和体电导率分别为76.9S·cm^-1和10S·cm^-1。虽然干压成型工艺可使膨胀石墨-水泥基复合材料的力学和电学性能显著增强，但由于该方法采用的成型压强较小，使材料气孔率较高和体电导率较低；另外，该研究进行抗压强度测试试样的长宽高分别为20mm、6mm和2mm，试样长宽差距大且厚度较薄，不满足抗压强度标准测试试样的要求，导致抗压强度测试结果偏差较大。同时，由于该养护工艺不能使水泥基复合材料充分地水化硬化，导致细小裂纹的产生，影响了材料电导率和力学性能的提高，不能很好地满足实验及应用要求。

技术实现要素：

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水泥基复合材料热电性能的方法，解决了现有水泥基复合材料浇筑成型工艺引起的材料气孔率高和强度降低，纤维素分散剂引起的电导率降低，以及由于测试试样不规范引起的抗压强度数值不准确等的问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种提高水泥基复合材料热电性能的方法，在水泥基复合材料制备过程中，添加膨胀石墨，采用干混干压方式成型并进行养护。

所述水泥基复合材料主要包括膨胀石墨和硅酸盐水泥；或主要包括膨胀石墨、硅酸盐水泥和骨料；或主要包括膨胀石墨和硫铝酸盐水泥；或主要包括膨胀石墨、硫铝酸盐水泥和骨料。

所述膨胀石墨利用搅拌工艺与其它材料干混均匀，然后干压成型并进行养护，形成膨胀石墨-水泥基复合材料。

所述膨胀石墨的粒径范围为1-500μm。

所述膨胀石墨在700-900℃氩气气氛保护下保温30min进行热处理，然后再添加。

所述膨胀石墨，在水泥基复合材料中的添加量为复合材料所用水泥质量的5％-15％。

所述成型的压强为20-60Mpa。

所述养护工艺，是将干压成型后的试样放在吸水饱和的海绵片上使其吸水至完全浸透，然后将试样暴露于相对湿度95％以上的潮湿环境中进行预养护，随后浸入水中养护至完全硬化。

所述水泥基复合材料的热导率，随膨胀石墨添加量的增加而增大。

所述水泥基复合材料的热电性能，随膨胀石墨添加量的增加而增加。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明具有所得膨胀石墨-水泥基复合材料Seebeck系数高、热电性能稳定、力学性能优良和制备工艺简单的特点。

2、本发明使用的膨胀石墨具有高的电导率，可大幅度提高水泥基复合材料的电导率。

3、本发明使用的膨胀石墨为鳞片状形貌，粒度适中，并且添加量较少，采取干混方式可将其均匀分散在水泥基体中，有效避免了膨胀石墨-水泥基复合材料力学性能降低的问题。

4、本发明采用干压成型制备膨胀石墨-水泥基复合材料的方法，避免了浇筑成型过程因所用石墨的鳞片状形貌和石墨较大的比表面积而导致水灰比较大和气孔率高的问题。

5、本发明使用的成型压强较大，避免了压强较小时气孔率高和电导率低的问题。

6、本发明所采取的养护工艺，可有效地避免预养护不充分产生微裂纹的问题，使制备力学和热电性能优良的膨胀石墨-水泥基复合材料成为可能。

附图说明

图1是本发明添加膨胀石墨的水泥基复合材料的抗压强度随膨胀石墨含量变化的关系图。

图2是本发明添加膨胀石墨的水泥基复合材料的电导率随温度变化的关系曲线。

图3是本发明添加膨胀石墨的水泥基复合材料的Seebeck系数随温度变化的关系曲线。

图4是本发明添加膨胀石墨的水泥基复合材料的热电优值ZT随温度变化的关系曲线。

图5是本发明添加膨胀石墨的水泥基复合材料的热导率随膨胀石墨含量变化的关系图。

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5:100的比例，称取膨胀石墨和硫铝酸盐水泥。

利用碾轮式混砂机使膨胀石墨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，养护形成膨胀石墨-水泥基复合材料试样。

利用平板加热器使膨胀石墨-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2

准备型腔为长方体的钢制模具，按照质量比为10:100的比例，称取膨胀石墨和硫铝酸盐水泥。

利用碾轮式混砂机使膨胀石墨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，养护形成膨胀石墨-水泥基复合材料试样。

利用平板加热器使膨胀石墨-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3

准备型腔为长方体的钢制模具，按照质量比为15:100的比例，称取膨胀石墨和硫铝酸盐水泥。

利用碾轮式混砂机使膨胀石墨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，养护形成膨胀石墨-水泥基复合材料试样。

利用平板加热器使膨胀石墨-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，本发明获得的膨胀石墨-水泥基复合材料的抗压强度，随膨胀石墨添加量的增加而降低。

参阅图2、图3和图4所示，本发明获得的膨胀石墨-水泥基复合材料的电导率、Seebeck系数和热电优值ZT均较大。

参阅图2、图4和图5所示，本发明获得的膨胀石墨-水泥基复合材料的电导率、热电优值ZT和热导率，随膨胀石墨添加量的增加而增加。

参阅图3所示，本发明获得的膨胀石墨-水泥基复合材料的Seebeck系数，随膨胀石墨添加量的增加基本保持不变。

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。