水泥基儲能材料正向我們走來！

通過再生能源技術(shù)來收集能量的概念在過去幾十年中引起了很大的關(guān)注。土木基礎(chǔ)設(shè)施為利用壓電材料收集大規(guī)模振動和/或結(jié)構(gòu)變形所產(chǎn)生的能量提供了巨大的機會。壓電材料具有很高的能量密度，可以將機械能直接轉(zhuǎn)化為電能。在壓電材料中，聚偏氟乙烯(PVDF)奈米纖維是一種受歡迎的柔性壓電聚合物，因其卓越的壓電係數(shù)和高延展性而廣受青睞。本研究通過將柔性PVDF奈米纖維納入高延展鋼纖維增強水泥基材料中，作為一種創(chuàng)新的能量收集系統(tǒng)來回收延展性水泥基材料的機械變形所產(chǎn)生的能量。為了評估能量轉(zhuǎn)換效率和電壓輸出，使用同步彎曲試驗和電壓數(shù)據(jù)記錄。通過對四點彎曲的多種加載速率和PVDF奈米纖維不同配置的能量收集性能進行分析。結(jié)果表明，高測試加載速率和長的PVDF纖維對能量收集是有利的。實驗結(jié)果為開發(fā)用於能量收集應(yīng)用的多功能建材奠定了堅實的基礎(chǔ)。

視頻中的演講者是來自普渡大學(xué)的Yem Frank Zu，他將為我們介紹通過納米材料摻入實現(xiàn)能量收集的水泥基材料。以下為視頻主要內(nèi)容：

好的，下午好，大家。我叫Yem Frank Zu，是普渡大學(xué)土木工程系的博士生，我的導(dǎo)師是Lunalu教授。今天我要跟大家分享的主題是通過納米材料摻入實現(xiàn)能量收集的水泥基材料。

元混凝土 那么，讓我們開始吧。我們知道，混凝土是最廣泛使用的建筑材料，因為它的成本低，而且適應(yīng)性強。近年來，納米技術(shù)的快速發(fā)展為混凝土賦予了新的功能提供了一個令人興奮的機會。通過先進的制造過程，比如納米技術(shù)，混凝土可以被定義為元混凝土，這是我們在下面的文章中提出的概念。這意味著混凝土具有可適應(yīng)的性能，可以用于不同的應(yīng)用，比如能量收集、傳感、隔熱、自清潔等等。今天我們要重點介紹的是能量收集部分。

動機 說到動機，民用基礎(chǔ)設(shè)施為潛在的能量收集提供了很多途徑。根據(jù)2018年的聯(lián)邦公路統(tǒng)計數(shù)據(jù)，美國的公共混凝土鋪設(shè)長度是55,000英里，混凝土橋面積是2億平方米，這是非常多的。所以我們實際上可以收集能量，比如太陽輻射、溫度梯度、振動或溫度變化，使用不同的方法，比如光伏、熱電、壓電和熱釋電。我們的小組今天我要介紹我們小組的一些研究，主要集中在熱電和壓電方面。

能量收集-熱電 首先，我們從熱電開始。熱電材料是一種當(dāng)暴露于溫差時，電子會從熱端向冷端移動，產(chǎn)生開路電壓的材料。作為一個熱機，熱電裝置的效率由卡諾效率和材料性能決定，材料性能用一個參數(shù)ZT來表示。要獲得高的ZT，我們需要材料具有高的塞貝克系數(shù)S和高的電導(dǎo)率σ，以及低的熱導(dǎo)率k。只有當(dāng)ZT達到3到4時，熱電裝置才能與當(dāng)前的發(fā)電方式相競爭。

混凝土/瀝青路面中的能量收集潛力是什么？那么，混凝土或瀝青路面或基礎(chǔ)設(shè)施中的能量收集潛力是什么呢？你可以看到在你右邊的圖片中，時間和溫度的關(guān)系，我們有熱點混凝土（黑線）和空氣（紫線）。我們可以觀察到，混凝土路面表面溫度與空氣溫度之間的溫差（ΔT）從25華氏度到58華氏度不等。這意味著這是一個很好的機會，我們可以使用熱電材料來收集能量。

混凝土中的氧化物納米材料 這是我們的一個研究，使用氧化物納米材料在混凝土中。我們使用了兩種不同的氧化物材料，氧化鋅和摻鋁氧化鋅，與一型水泥混合。添加率從0.2%到1%不等，按水泥重量計算。

我們進行了一系列的實驗測試，來評估熱電性能，比如塞貝克系數(shù)、電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率。這張幻燈片展示了我們在進行塞貝克系數(shù)測量之前的情況。對于塞貝克系數(shù)的測量，熱功率的測量是通過電壓差除以溫度差來計算的。在你的左手邊，是溫度和電壓輸出的關(guān)系，我們得到了。我們有參考樣品和另外兩個樣品，分別摻入了氧化鋅和摻鋁氧化鋅。我們發(fā)現(xiàn)，在摻鋁氧化鋅的樣品中，塞貝克系數(shù)有30%的提高，摻入量為0.4%。

另一個性能是電導(dǎo)率，我們在28天時得到了這個結(jié)果，是混合設(shè)計與電導(dǎo)率的關(guān)系。你可以看到，紅色的是摻鋁氧化鋅的樣品，黑色的三角形是參考樣品。摻鋁氧化鋅的樣品的電導(dǎo)率比普通水泥高了37%，這是令人印象深刻的。

正如我剛才提到的，我們需要有低的熱導(dǎo)率，才能有高的熱電轉(zhuǎn)換效率。左邊的圖顯示了混合設(shè)計與熱導(dǎo)率的關(guān)系，我們發(fā)現(xiàn)，隨著納米顆粒摻入量的增加，熱導(dǎo)率降低了。我們還測量了每個樣品的密度，我們發(fā)現(xiàn)，熱導(dǎo)率隨著密度的降低而降低。我們還做了熱電功率潛力的建模工作，右邊的圖顯示了。估計的功率輸出是10毫瓦每平方厘米，溫差為50開爾文，這足以為一些小型電子設(shè)備提供電力，比如LED燈、傳感器或結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測。

另一個有趣的話題是使用壓電材料來進行能量收集。壓電材料的原理是基于直接效應(yīng)和反向效應(yīng)，它們可以把機械力轉(zhuǎn)換為電能，反之亦然。我們都知道，振動無處不在，我們可以把來自基礎(chǔ)設(shè)施的振動能量轉(zhuǎn)化為電能，儲存在能量存儲裝置中，然后用于其他的應(yīng)用。

其中一種有前途的壓電材料是PVDF，PVDF是一種聚合物基壓電材料，具有很高的柔性，可以適應(yīng)結(jié)構(gòu)的不同部位。所以我們研究了使用PVDF的方法。在我們的實驗室里，我們使用電紡設(shè)備來制備PVDF的β相納米纖維，并把它作為裝置，摻入到水泥基材料中。對于PVDF來說，β相更適合于壓電性能，可以提高壓電性能。所以我們會盡量增加β相的含量。

對于PVDF的納米纖維，這是我和我的同事一起做的，我們有不同濃度的PVDF前驅(qū)體，從8%到40%。我們發(fā)現(xiàn)，對于8%的樣品，它有最高的β相含量，達到了80%。

我們可以得到更細的纖維，這些纖維通過電紡過程會產(chǎn)生更高的極化，因此，具有細小尺寸的PVDF納米纖維具有高的β相含量，這意味著我們會有更高的能量收集效率。

實驗裝置 我們還做了一些試驗性的測試，用于壓電式能量發(fā)生器，我們把PVDF納米纖維嵌入到可彎曲的混凝土ECC中，然后我們做了四點彎曲試驗，測試載荷速率我們改變了拉伸速率，從0.5毫米每秒到2毫米每秒，我們有不同的樣品長度。

結(jié)果 這里只是一個結(jié)果，是機械測試的結(jié)果，樣品的平均最佳結(jié)構(gòu)強度是4.6兆帕，彈性模量是28千兆帕，加載速率從0.5到2毫米每秒的變化并沒有顯示出什么明顯的影響，對結(jié)構(gòu)性能的影響。但是值得注意的是，我們還記錄了測試過程中的累積輸出電壓。

電壓輸出 這張幻燈片展示了不同配置的樣品和累積輸出電壓。我們可以看到，累積輸出電壓隨著加載速率的增加而增加，高加載速率的樣品比其他樣品有更高的電壓，大約是三到五倍，而且長樣品比短樣品有更高的結(jié)果。

結(jié)論 所以，總結(jié)我們的工作，對于熱電部分，氧化鋅和摻鋁氧化鋅是有效的納米顆粒，可以調(diào)節(jié)水泥基材料的熱電行為，摻鋁氧化鋅納米顆粒的0.4%濃度表現(xiàn)出最好的結(jié)果，因為它有最高的塞貝克系數(shù)，我們得到的估計功率輸出是10毫瓦每平方厘米，這對于給小型電子設(shè)備供電是很好的。對于壓電部分，我們的累積電壓可以達到17千伏，這對于多功能操作材料是有利的。