EGCFRC的Seebeck效應(yīng)多類型界面散射強(qiáng)化機(jī)理研究.pdf

1、膨脹石墨/碳纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料(Expanded Graphite/Carbon Fiber Reinforced Cement-based Composites，簡寫為EGCFRC)是一種可以實現(xiàn)熱電相互轉(zhuǎn)換的新型功能材料。它在城市余熱利用、建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和道路低能耗融雪化冰領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，是智能水泥基復(fù)合材料研究與發(fā)展的重要方向之一。但目前，EGCFRC-Seebeck系數(shù)仍然較低，是制約其大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵因素。

2、>　　本文主要通過壓制成型工藝制備EGCFRC，分析不同成型壓力對EGCFRC電導(dǎo)率與Seebeck效應(yīng)的影響。利用體視學(xué)方法實現(xiàn)了EGCFRC中碳纖維/膨脹石墨與水泥基體間界面，孔隙和微裂紋形成的氣/固界面的定量化表征。探究了含水率、不同類型氣/固界面，金屬氧化物/水泥基體界面以及離子液體/水泥基體界面對EGCFRC電導(dǎo)率及Seebeck系數(shù)的影響，獲得了EGCFRC多類型界面散射強(qiáng)化機(jī)理。主要研究內(nèi)容和結(jié)果如下：
　　(1)借

3、助圖像分析方法獲得了EGCFRC基體中碳纖維/膨脹石墨與水泥基體間界面，微/納米孔隙或微裂紋與水泥基體間氣/固界面的二維信息，利用體視學(xué)原理推導(dǎo)出EGCFRC定量化的三維信息，并建立界面參數(shù)與EGCFRC電導(dǎo)率、Seebeck系數(shù)間的數(shù)學(xué)關(guān)系。研究結(jié)果表明：EGCFRC的電導(dǎo)率隨成型壓力的增大而呈增加趨勢；而EGCFRC中氣/固界面含量則隨著成型壓力的減小而增大，從而引起基體中缺陷密度變大，載流子傳輸受阻，Seebeck效應(yīng)獲得強(qiáng)化。成

4、型壓力為60MPa時最利于EGCFRC熱電性能的提高。
　　(2)探討了氣孔率對EGCFRC熱電性能的影響，并通過層切法構(gòu)造與熱流方向呈不同夾角的氣/固界面，進(jìn)一步獲得氣/固界面對EGCFRC電導(dǎo)率與Seebeck效應(yīng)的影響機(jī)理。研究結(jié)果表明：采用壓制成型制備EGCFRC，成型壓力為60MPa時，EGCFRC獲得最大電導(dǎo)率0.063S·cm-1，較傳統(tǒng)成型工藝提高了3個數(shù)量級。同時，獲得最大功率因數(shù)7.26×10-4μWm-1K-

5、2以及最大ZT值2.22×10-7。20MPa，40MPa和60MPa三種成型壓力下，氣/固界面與熱流方向呈90o夾角時，EGCFRC的Seebeck效應(yīng)得到強(qiáng)化，其中，成型壓力為20MPa時效果最顯著。
　　(3)測量了EGCFRC樣品的含水率，研究了含水率對EGCFRC熱電性能的影響。研究結(jié)果表明：含水率的增大可以強(qiáng)化Seebeck效應(yīng)，但也會降低電導(dǎo)率。在33oC時，當(dāng)EGCFRC中含水率為14.98％時，獲得最大的絕對Se

6、ebeck系數(shù)11.59μV/oC。在同一溫度下，當(dāng)含水率為11.44%時，獲得最大的電導(dǎo)率0.078S·cm-1以及最大的功率因數(shù)7.85×10-4μWm-1K-2。含水率對EGCFRC熱電性能的顯著影響可以歸因于接觸電阻的存在、載流子散射、水泥基體的極化效應(yīng)以及EGCFRC固有的高密度缺陷界面。
　　(4)探討了水泥基體中Fe2O3含量對EGCFRC熱電性能的影響。研究結(jié)果表明：Fe2O3摻量為5.0wt%時，EGCFRC的電

7、導(dǎo)率和Seebeck效應(yīng)同時得到提高，在65oC時獲得最大絕對Seebeck系數(shù)16.80μV/oC和最大電導(dǎo)率0.084S·cm-1；而加入10.0wt%的Fe2O3時，EGCFRC的絕對Seebeck系數(shù)最大可達(dá)20.85μV/oC，但電導(dǎo)率卻只有0.036S·cm-1。
　　(5)研究了不同養(yǎng)護(hù)方式、離子液體[Bmim]Br摻量對EGCFRC熱電性能的影響規(guī)律及機(jī)理。研究結(jié)果表明：離子液體[Bmim]Br摻量越高，EGCFR

8、C的絕對Seebeck系數(shù)越大，電導(dǎo)率越低。預(yù)處理后養(yǎng)護(hù)可以使[Bmim]Br同時受到機(jī)械力與熱運動的雙重作用而更加均勻地分散在水泥基體中，促進(jìn)陰陽離子在電極表面的遷移與重排，從而強(qiáng)化EGCFRC的Seebeck效應(yīng)，但同時會引起電導(dǎo)率降低。[Bmim]Br摻量為3.0wt%時，直接養(yǎng)護(hù)EGCFRC在72oC時獲得最大絕對Seebeck系數(shù)115.39μV/oC，最大功率因數(shù)8.56×10-3mWm-1K-2；預(yù)處理后養(yǎng)護(hù)EGCFRC在