水泥基儲(chǔ)能材料正向我們走來(lái)！

通過(guò)再生能源技術(shù)來(lái)收集能量的概念在過(guò)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(dòng)和/或結(jié)構(gòu)變形所產(chǎn)生的能量提供了巨大的機(jī)會(huì)。壓電材料具有很高的能量密度，可以將機(jī)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(guò)將柔性PVDF奈米纖維納入高延展鋼纖維增強(qiáng)水泥基材料中，作為一種創(chuàng)新的能量收集系統(tǒng)來(lái)回收延展性水泥基材料的機(jī)械變形所產(chǎn)生的能量。為了評(píng)估能量轉(zhuǎn)換效率和電壓輸出，使用同步彎曲試驗(yàn)和電壓數(shù)據(jù)記錄。通過(guò)對(duì)四點(diǎn)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(jìn)行分析。結(jié)果表明，高測(cè)試加載速率和長(zhǎng)的PVDF纖維對(duì)能量收集是有利的。實(shí)驗(yàn)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(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

視頻中的演講者是來(lái)自普渡大學(xué)的Yem Frank Zu，他將為我們介紹通過(guò)納米材料摻入實(shí)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(guò)納米材料摻入實(shí)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?yàn)樗某杀镜?，而且適應(yīng)性強(qiáng)。近年來(lái)，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(gè)令人興奮的機(jī)會(huì)。通過(guò)先進(jìn)的制造過(guò)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?cè)谙旅娴奈恼轮刑岢龅母拍?。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(diǎn)介紹的是能量收集部分。

動(dòng)機(jī) 說(shuō)到動(dòng)機(jī)，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(jì)數(shù)據(jù)，美國(guó)的公共混凝土鋪設(shè)長(zhǎng)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(shí)際上可以收集能量，比如太陽(yáng)輻射、溫度梯度、振動(dòng)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(shí)，電子會(huì)從熱端向冷端移動(dòng)，產(chǎn)生開路電壓的材料。作為一個(gè)熱機(jī)，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(gè)參數(shù)ZT來(lái)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(dá)到3到4時(shí)，熱電裝置才能與當(dāng)前的發(fā)電方式相競(jìng)爭(zhēng)。

混凝土/瀝青路面中的能量收集潛力是什么？那么，混凝土或?yàn)r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(shí)間和溫度的關(guān)系，我們有熱點(diǎn)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(gè)很好的機(jī)會(huì)，我們可以使用熱電材料來(lái)收集能量。

混凝土中的氧化物納米材料 這是我們的一個(gè)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(jì)算。

我們進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，來(lái)評(píng)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?cè)谶M(jìn)行塞貝克系數(shù)測(cè)量之前的情況。對(duì)于塞貝克系數(shù)的測(cè)量，熱功率的測(cè)量是通過(guò)電壓差除以溫度差來(lái)計(jì)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(gè)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(gè)性能是電導(dǎo)率，我們?cè)?8天時(shí)得到了這個(gè)結(jié)果，是混合設(shè)計(jì)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(jì)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(cè)量了每個(gè)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(jì)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(cè)。

另一個(gè)有趣的話題是使用壓電材料來(lái)進(jìn)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(jī)械力轉(zhuǎn)換為電能，反之亦然。我們都知道，振動(dòng)無(wú)處不在，我們可以把來(lái)自基礎(chǔ)設(shè)施的振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為電能，儲(chǔ)存在能量存儲(chǔ)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(shí)驗(yàn)室里，我們使用電紡設(shè)備來(lái)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(duì)于PVDF來(lái)說(shuō)，β相更適合于壓電性能，可以提高壓電性能。所以我們會(huì)盡量增加β相的含量。

對(duì)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(duì)于8%的樣品，它有最高的β相含量，達(dá)到了80%。

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

實(shí)驗(yàn)裝置 我們還做了一些試驗(yàn)性的測(cè)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(diǎn)彎曲試驗(yàn)，測(cè)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(zhǎng)度。

結(jié)果 這里只是一個(gè)結(jié)果，是機(jī)械測(cè)試的結(jié)果，樣品的平均最佳結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(méi)有顯示出什么明顯的影響，對(duì)結(jié)構(gòu)性能的影響。但是值得注意的是，我們還記錄了測(cè)試過(guò)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(zhǎng)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(duì)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?yàn)樗凶罡叩娜惪讼禂?shù)，我們得到的估計(jì)功率輸出是10毫瓦每平方厘米，這對(duì)于給小型電子設(shè)備供電是很好的。對(duì)于壓電部分，我們的累積電壓可以達(dá)到17千伏，這對(duì)于多功能操作材料是有利的。