用纳米碳黑色的电热水泥:进行电力并产生热量的水泥

尼古拉斯·查努特和南希·索利曼

麻省理工学院Chub Postdocs Nicolas Chanut和Nancy Soliman持有两种导电水泥样品。信用:安德鲁洛根

之间的合作麻省理工学院CNRS产生了一种电力并产生热量的水泥。

既然本发明几千年前,具体就会有助于改进文明的进步,在无数施工应用中寻找使用 - 从桥梁到建筑物然而,尽管经历了几个世纪的创新,它的功能仍然主要是结构性的。

MIT混凝土可持续发展中心(CSHUB)研究人员的多年努力与法国国家科学研究中心(CNRS)合作,旨在改变这一点。他们的合作承诺通过添加新功能 - 即电子传导性来使具体更具可持续性。电子电导率将允许使用混凝土进行各种新应用,从自加热到储能。

它们的方法依赖于将高导电纳米碳材料的控制引入水泥混合物中。在一篇论文中物理评论材料,它们验证这种方法,同时呈现指示材料电导率的参数。

这篇论文的第一作者、麻省理工学院CSHub博士后南希·索利曼(Nancy Soliman)认为,这项研究有可能为已经流行的建筑材料增加一个全新的维度。

“这是导电水泥的一级模型,”她解释说。“它将带来鼓励这种(多功能)材料扩大规模所需的(知识)。”

从纳米尺度到最先进的

在过去的几十年中,纳米碳材料由于其独特的性质组合,主要的性能而导致。科学家和工程师先前提出了可以在纳入中赋予水泥和混凝土的电导率的材料的发展。

对于这项新工作,索利曼想要确保他们选择的纳米碳材料足够便宜,能够大规模生产。她和她的同事们最终选择了纳米炭黑——一种具有优良导电性的廉价碳材料。他们发现他们对电导率的预测得到了证实。

“混凝土是一种天然的绝缘材料,”索利曼说,“但是当我们加入纳米炭黑颗粒时,它就从绝缘体变成了导电材料。”

纳米碳掺杂水泥

通过通过用纳米碳掺杂水泥制成的砂浆样品运行电流,Chanut和Soliman能够将其温热至115 f(参见右侧的温度计显示)。信用:安德鲁洛根

索利曼和她的同事们发现,只要在混合物中4%的体积中加入纳米炭黑,就可以达到渗透阈值,即样品可以通过的阈值。

他们注意到,这股水流还有一个有趣的结果:它可以产生热量。这是由于所谓的焦耳效应。

“焦耳加热(或电阻加热)是由导体中的移动电子和原子之间的相互作用引起的,解释了纸上的一个合作者,并在MIT Chub上的Postdoc中解释了Nicolas Chanut。“每次碰撞时,电场中的加速电子交换动能原子,诱导晶格中原子的振动,这表现为热量和材料中的温度升高。“

在实验中,他们发现即使是小电压 - 低至5伏 - 可以增加其样品的表面温度(约5厘米3.大小)高达41度科尔斯群岛(大约100度华氏温度)。虽然标准热水器可能达到可比的温度,但重要的是考虑与传统的加热策略相比如何实施该材料。

“这项技术可能是辐射室内地板采暖的理想选择,”Chanut解释道。“通常,室内辐射加热是通过在地板下方运行的管道中循环加热的水来完成的。但这种系统可能具有挑战性地构建和维护。然而,当水泥本身成为加热元件时,加热系统变得更简单以安装和更可靠。另外,由于纳米颗粒在材料中非常好的分散,水泥提供了更均匀的热分布。“

机械性能带电水泥

研究人员通过使用刮擦测试测试了样品的机械性能。测试结果可以在样品的表面上看到。信用:安德鲁洛根

纳米碳水泥在户外也有多种应用。Chanut和Soliman认为,如果将纳米碳水泥应用于混凝土路面,可以减轻耐久性、可持续性和安全问题。这些担忧大多源于使用盐来除冰。

“在北美,我们看到很多雪。要清除道路上的积雪需要使用融冰盐,这可能会破坏混凝土,污染地下水,”索利曼说。用于撒盐的重型卡车排放量大,运行成本高。

通过在路面中实现辐射加热,纳米碳水泥可用于脱冰路面,无公路盐,潜在地节省数百万美元的维修和运营成本,同时纠正安全和环境问题。在维持卓越路面条件的某些应用中-如机场跑道 - 这项技术可以证明特别有利。

缠结的电线

虽然这种先进的水泥为一系列问题提供了优雅的解决方案,但实现多功能性带来了各种技术挑战。例如,如果没有办法在水泥中将纳米颗粒排列成一个有效的电路(即体积布线),就不可能利用它们的导电性。为了保证理想的体积布线,研究人员研究了一种称为弯曲的特性。

“曲折是一种我们被类比从传播领域所介绍的概念,”纸张的领导者和联合作用者(Cinulity Engineering)和Chub的教师顾问教授。“在过去,它描述了离子的流动。在这项工作中,我们使用它来描述通过体积丝的电子流。“

ulm用一辆城市的两点之间的汽车的例子解释了曲折。虽然乌鸦苍蝇的两点之间的距离可能是两英里,但由于街道的循环,所以实际的距离可能会更大。

对于通过水泥的电子也是如此。它们在样本中必须走的路径总是比样本本身的长度长。这条路径的长度就是弯曲度。

达到最佳的弯曲度意味着平衡碳的数量和分散。如果碳过于分散,体积布线将变得稀疏,导致高弯曲度。同样,如果样品中没有足够的碳,弯曲度就会太大,无法形成一个直接的、高效的高导电性布线。

甚至增加大量碳可能会证明适得其反。在某种点导电性下,将停止改善,从理论上只会在规模实施时增加成本。由于这些复杂性,他们试图优化它们的混合物。

“我们发现通过微调碳的体积,我们可以达到2的曲折值2,”Ulm说。“这意味着电子采取的路径仅为样本长度的两倍。”

量化这些性质对ULM和他的同事至关重要。他们最近的纸张的目标不仅仅是为了证明多功能水泥是可能的,但批量生产也是可行的。

“关键点是为了让工程师拿起东西,他们需要定量模型,”乌尔姆解释说。“在将材料混合在一起之前,您希望能够期望某些可重复的属性。这正是本文概述的;它将由于边界条件 - [无关]环境条件分开 - 从真正的原因是由于材料内的基本机制。“

通过隔离和量化这些机制,Soliman,Chanut和ULM希望为工程师提供以更广泛的规模实施多功能水泥所需的内容。他们绘制的道路是一个很有希望的人 - 而且,由于他们的工作,不应该过于曲折。

参考:“电子导电水泥材料中的电气耗散和电动曲折”由Nancy A. Saliman,Nicolas Chanut,Vincent Deman,Zoe Lallas和Franz-Josef Ulm,2020年12月9日,物理评论材料
DOI:10.1103 / physrevmaterials.4.125401

该研究是通过波特兰水泥协会的混凝土可持续发展枢纽和现成的混合具体研究和教育基础支持。

1条评论“用纳米碳黑色的电水泥 - 导电电力和产生热量的水泥”

  1. 为什么我的浓缩咖啡并没有好转?
    “渗透阈值”
    很搞笑

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