碳纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料熱電性能研究.pdf

1、碳纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料(Carbon Fiber Reinforced Cement Composites，簡稱CFRC）是一種新型智能結(jié)構(gòu)材料，其在城市與工業(yè)熱能轉(zhuǎn)換收集、重要建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測傳感器和道路低能耗熱融除雪領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。目前CFRC的Seebeck系數(shù)值較小，熱電性能還不夠高，這成為制約其應(yīng)用的主要因素。本文通過對CFRC研究發(fā)展現(xiàn)狀的分析，針對如何提高Seebeck系數(shù)，提出采用金屬氧化物添加、金屬氧化物/基體界面

2、、碳纖維/基體界面調(diào)整，復(fù)合有序Cu纖維等方法，研究CFRC-Seebeck系數(shù)的優(yōu)化途徑，揭示CFRC-Seebeck效應(yīng)的強(qiáng)化機(jī)理。本研究主要內(nèi)容包括：
　?、叛芯拷饘傺趸?基體含量對CFRC-Seebeck系數(shù)的影響。Fe2O3及 Bi2O3含量分別為0.5wt％、1.0wt%、2.5wt%、5.0wt%、7.5wt%、10.0wt%、12.5wt%和15.0wt%。結(jié)果表明：氧化物含量在0.5-5.0wt%范圍內(nèi)，隨著氧

3、化物含量增加，所測量的CFRC的熱電勢曲線隨溫度升高而增大，Seebeck系數(shù)值較原始試樣提高4-5倍，當(dāng) Bi2O3的添加含量為5.0wt%時(shí)，CFRC-Seebeck系數(shù)絕對值最大達(dá)到+100.28μV/℃。當(dāng)添加含量在7.5wt%-15.0wt%范圍時(shí)，熱電勢曲線表現(xiàn)為先增大，后趨于平穩(wěn)。
　?、蒲芯拷饘傺趸?基體界面密度（通過氧化物粒度表征）和空氣/基體界面密度（通過水灰比表征）對CFRC-Seebeck系數(shù)和電導(dǎo)率的影

4、響。選取Fe2O3粒徑（50-200nm）、（200-500nm）、（1-10μm），F(xiàn)e3O4粒徑（50-150nm）、（150-250nm）、（250-500nm）進(jìn)行配比。結(jié)果表明：Fe2O3粒徑在50-200nm和200-500nm范圍內(nèi)，隨著粒徑增大，電導(dǎo)率增大，Seebeck系數(shù)減小，功率因數(shù)曲線幾乎不變；Fe3O4粒徑在50-150nm、150-250nm，250-500nm范圍內(nèi)，隨著粒徑增大，CFRC-Seebeck系

5、數(shù)曲線降低，功率因數(shù)曲線也逐漸降低。對比 Fe3O4粒徑在50-150nm、150-250nm，250-500nm范圍內(nèi)的CFRC電導(dǎo)率曲線，當(dāng)處于低溫階段時(shí)，大粒徑的電導(dǎo)率曲線較高；溫度較高時(shí)，小粒徑的電導(dǎo)率曲線較高。水灰比為2.7:10、2:5，分別添加Fe2O3及Fe3O4顆粒，結(jié)果表明：水灰比為2:5時(shí)，對比水灰比2.7:10，CFRC-Seebeck系數(shù)值和電導(dǎo)率均較?。妼?dǎo)率相差一個數(shù)量級），小的水灰比有利于CFRC-See

6、beck系數(shù)和電導(dǎo)率的提高。
　?、茄芯刻祭w維/基體界面密度（通過碳纖維表面粗糙度表征）對CFRC-Seebeck系數(shù)和電導(dǎo)率的影響；將碳纖維浸漬在濃度分別為0.5wt%、1.0wt%、3.0wt%、5.0wt%的酚醛樹脂中，其表面粗糙度隨浸漬濃度的增加而逐漸增加。結(jié)果表明：在浸漬濃度為1.0-5.0wt%范圍內(nèi)，隨著碳纖維表面粗糙度的增加，CFRC電導(dǎo)率和Seebeck系數(shù)值均增大；含F(xiàn)e3O4的CFRC樣品，在碳纖維表面粗糙度

7、最大時(shí)（浸漬濃度為5.0wt%），CFRC-Seebeck系數(shù)達(dá)到最大值+123.5mV/℃。碳纖維表面粗糙度相同條件下，添加Fe3O4的CFRC的電導(dǎo)率和Seebeck系數(shù)均大于含F(xiàn)e2O3的樣品；
　?、妊芯緾u纖維/基體界面密度對CFRC-Seebeck系數(shù)的影響。在碳纖維含量0.5wt%和1.0wt%的CFRC樣品中，定向均勻布置直徑為0.5mm的Cu纖維，纖維體積分?jǐn)?shù)分別選取0.125vol%、0.25vol%、0.5v

8、ol%。結(jié)果表明：碳纖維含量相同時(shí)，Cu為0.25vol%的CFRC電導(dǎo)率和Seebeck系數(shù)均接近于Cu含量為0.125vol%和0.5vol%的兩倍。當(dāng)CFRC中碳纖維為1.0wt%，且銅纖維含量為0.25vol%時(shí)，CFRC電導(dǎo)率和Seebeck系數(shù)值達(dá)到最大。在Cu纖維添加含量相同，碳纖維含量1.0wt%的CFRC樣品的電導(dǎo)率和Seebeck系數(shù)值均高于碳纖維含量為0.5wt%的CFRC；這表明，碳纖維含量在0.5-1.0wt%