关键词:
水泥基复合材料
热电效应
抗压强度
塞贝克系数
电导率
摘要:
随着社会的不断发展,对不可再生能源的消耗日益增加,能够实现热电转换的水泥基热电材料在绿色建筑领域具有广泛的应用前景。以纳米碳材料作为功能填充物复合改性水泥基材料虽然可以提升材料的电导率,但是所制备的水泥基复合材料的塞贝克系数较低,因此并不能呈现很好的热电性能。因此,本文研究了氧化物和碳材料共复合水泥基热电材料的制备,抗压强度和热电性能等。主要研究内容和研究结论如下:
(1)成功制备了钛酸锶/碳纳米管(SrTiO/CNT)水泥基复合材料,并研究了水泥基复合材料的抗压强度和热电性能。钛酸锶/碳纳米管水泥基复合材料的多数载流子为空穴,而对钛酸锶退火处理可使复合材料多数载流子转变为电子。X射线光电子能谱分析表明,退火处理导致SrTiO中氧空位浓度增加,这是导致载流子类型变化的主要原因。SrTiO纳米颗粒的掺入可以有效提升水泥基复合材料的抗压强度,与纯水泥净浆样品相比可提升77%。此外,含有0.50 wt%未退火钛酸锶和1.0 wt%退火处理SrTiO的水泥基复合材料的功率因数均大幅提升,分别是碳纳米管水泥基复合材料的8.6和21倍。
(2)成功制备了氧化锌/碳微球(ZnO/CMS)水泥基复合材料,并研究了复合材料的抗压强度和热电性能。结果表明,合成的CMS粒径主要分布在4~6μm之间,碳微球颗粒均匀地分散在水泥基体中。此外,碳微球颗粒的引入可以优化材料中孔结构分布,并大幅度提升材料的抗压强度,其中,含1.0 wt%的CMS水泥基复合材料最大抗压强度可达43 MPa,比纯水泥净浆约提升约84%。而氧化锌颗粒的引入可以进一步提升材料的热电性能,掺入2.0 wt%氧化锌的碳微球水泥基复合材料的ZT值可达5.75×10,约为CMS水泥基复合材料的1.7倍。
(3)采用钛酸锶/碳纳米管水泥基复合材料为p型分段腿,氧化锌/碳微球水泥基复合材料为n型分段腿,未掺杂水泥为绝缘层,制备了水泥基热电器件。模拟实际状态,测量水泥基复合材料热电模块的热电压值。当温差为27℃时,所制备水泥基热电器件的最大输出功率约为5.36×10W。