[发明专利]一种高效水泥基热电材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于热电材料领域，具体涉及一种高效水泥基热(三氧化二铁复合水泥基)电材料及其制备方法。

背景技术

能源是人类活动的物质基础，人类社会的发展离不开优质能源的出现和先进能源技术的使用。考虑到化石能源的日益枯竭及其使用产生的环境问题，对于获取可持续、清洁能源的兴趣日益浓厚。热电材料可利用材料两端的温差直接将热能转化为电能，这一过程是通过热能激发材料内部载流子的定向运动实现的。用热电材料制作的元件具有绿色环保，运行时无噪音、免维护和安全可靠等优点，在利用太阳能及工业余热等一些低品位热源领域具有广泛的应用前景。

水泥基复合材料是目前应用最为广泛的建筑材料，在城市建筑、道路、桥梁、水利等工程中占据着重要地位。这些水泥基复合材料的结构在使用过程中由于受到太阳光照射，会在其内外两侧产生温差。同时，作为城市建筑墙壁的主体材料，夏季和冬季墙体两侧产生的温差由于室内制冷或制热作用会超过20℃，因此水泥基复合材料结构中温差发电的利用将具有非常大的发展潜力。但是普通热电材料一般价格昂贵，与混凝土结构相容性不佳，受到荷载作用容易损坏，难以在混凝土结构中广泛使用。

发明内容

本发明目的在于提供一种高效水泥基(三氧化二铁复合水泥基)热电材料及其制备方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种高效水泥基热电材料，高效水泥基热电材料为水泥中添加纳米三氧化二铁粉体作为热电组分；其中，热电组分添加量占水泥质量的1％-5％。

所述纳米三氧化二铁粉体为采用化学沉淀法制得，粒径范围为1-100nm。

所述纳米三氧化二铁颗粒为将氯化铁溶液与尿素按摩尔比为1:2-1:4的比例混合在90-100℃下加热反应3-5h，反应后的粉末在500-550℃的马弗炉中煅烧3-5h，即得到目标产物纳米三氧化二铁。

所述高效水泥基热电材料由水泥、水、超细硅质矿物外加剂、热电组分和高效减水剂；其中，水、超细硅质矿物外加剂、热电组分和高效减水剂的添加量分别占水泥质量的35％-45％、5％-15％、1％-5％、0.5％-2.5％。

所述水泥为硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，强度等级为42.5或52.5；所述高效减水剂为减水率20％-30％的聚羧酸系高效减水剂；所述的超细硅质矿物外加剂为超细硅灰，比表面积不小于15000m²/kg，SiO₂含量不低于90％。

一种高效水泥基热电材料的制备方法，将作为热电组分的纳米三氧化二铁粉体制成悬浮液加入至水泥中搅拌均匀后成型，再经标准养护即可。

将作为热电组分的纳米三氧化二铁粉体加入到水中进行超声分散形成悬浮液，而后按照上述比例依次加入减水剂、水泥和硅灰，用水泥净浆搅拌机进行梯度搅拌使其搅拌均匀后成型，再经过标准养护即可。

所述热电组分为化学沉淀法制备的纳米三氧化二铁，粒径范围为1-100nm。具体方法为将氯化铁溶液与尿素按摩尔比为1:2-1:4的比例混合在90-100℃下加热反应3-5小时，反应后的粉末在500-550℃的马弗炉中煅烧3-5h，即得到目标产物纳米三氧化二铁。

所述梯度搅拌为首先以60-65转/分的速度慢速搅拌3-4分钟，而后再以125-135转/分的速度快速搅拌2-3分钟。

所述标准养护为20℃，95％相对湿度养护28天。

所述的水泥为硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，强度等级为42.5或52.5。

所述的高效减水剂为减水率20％的同树牌聚羧酸高效减水剂。

按上述方案：所述的超细硅质矿物外加剂为超细硅灰，比表面积不小于15000m²/kg，SiO₂含量不低于90％。

原理：对于本发明的水泥基热电材料而言，通过在其制备过程中添加纳米热电组分，使得水泥基复合材料的热电性能显著提高。水泥基复合材料中加入纳米尺度热电组分后引起量子约束效应，提高载流子在费米面附近的能量梯度，降低晶格热导率，最终提高材料的热电效率。

本发明的有益效果：

本发明的高效水泥基热电材料热电性能高，制备成本低，便于应用推广。与传统的水泥基热电材料相比，本发明该高效水泥基热电材料养护28d后热电系数达到1000μv/℃以上(而以往的碳纤维复合水泥基材料、钢纤维复合水泥基材料以及钢渣复合水泥基材料的热电系数一般不超过100μv/℃)。

附图说明

图1为水泥基热电材料热电效应测试示意图。