研究人員用納米碳黑使水泥具有導電和發熱特性

麻省理工學院和法國國家科學研究中心之間的合作產生了一種能夠導電和發熱的水泥。自從幾千年前發明以來,混凝土已經成為推動文明發展的工具,在無數的建築應用中找到了用途。然而,盡管有幾個世紀的創新,其功能仍然主要是結構性的。麻省理工學院混凝土可持續發展中心(CSHub)的研究人員與法國國家科學研究中心(CNRS)合作,進行了多年的努力,旨在改變這種狀況。

他們的合作有望通過增加新的功能–即電子傳導性–使混凝土更加可持續。電子傳導性將允許混凝土用於各種新的應用,從自我加熱到能量儲存等。

研究人員用納米碳黑使水泥具有導電和發熱特性

他們的方法依賴於將高導電性的納米碳材料有控制地引入水泥混合物中。在《物理評論材料》的一篇論文中,他們驗證了這種方法,同時提出了決定材料導電性的參數。

論文的主要作者、麻省理工學院CSHub的博士後Nancy Soliman認為,這項研究有可能為已經是一種流行的建築材料增加一個全新的層面。

「這是一個導電水泥的一階模型,」她解釋說。「而且它將帶來鼓勵擴大這類(多功能)材料的規模所需的(知識)。」

研究人員用納米碳黑使水泥具有導電和發熱特性

從納米級到最先進

在過去的幾十年里,納米碳材料由於其獨特的性能組合而激增,其中主要是導電性。科學家和工程師們以前曾提議開發能夠在水泥和混凝土中加入導電性的材料。

對於這項新的工作,Soliman希望確保他們所選擇的納米碳材料是可以負擔得起的,可以大規模地生產。她和她的同事們最終選擇了納米碳黑–一種具有優良導電性的廉價碳材料。他們發現,他們對導電性的預測得到了證實。

“混凝土自然是一種絕緣材料,”Soliman說,”但是當我們加入納米碳黑顆粒時,它就從絕緣體變成了導電材料。”

通過在他們的混合物中加入體積僅為4%的納米碳黑,Soliman和她的同事發現他們可以達到滲流閾值,即他們的樣品可以攜帶電流的點。他們注意到,這種電流也有一個有趣的結果。它可以產生熱量。這是由於所謂的焦耳效應造成的。

「焦耳加熱(或電阻加熱)是由導體中移動的電子和原子之間的相互作用引起的,」該論文的共同作者、麻省理工學院CSHub的博士後Nicolas Chanut解釋說。”電場中的加速電子每次與原子碰撞時都會交換動能,誘發晶格中原子的振動,這表現為熱和材料中溫度的上升。”

在他們的實驗中,他們發現,即使是一個小電壓–低至5伏–也能使他們的樣品(大約5立方厘米大小)的表面溫度上升到41攝氏度。雖然標準的熱水器可能達到相當的溫度,但與傳統的加熱策略相比,重要的是考慮這種材料將如何實施。

「這項技術可能是室內地板輻射加熱的理想選擇,」Chanut解釋說。「通常情況下,室內輻射加熱是通過在地板下的管道中循環加熱水來完成的。但這種系統在建造和維護方面可能具有挑戰性。然而,當水泥本身成為一個加熱元件時,加熱系統的安裝變得更簡單,更可靠。此外,由於納米顆粒在材料中的分散性非常好,水泥提供了更均勻的熱量分布。」

納米碳水泥在戶外也可以有各種應用。Chanut和Soliman認為,如果在混凝土路面上實施,納米碳水泥可以減輕耐久性、可持續性和安全問題。這些問題大多來自於使用鹽來除冰。

「在北美,我們看到大量的雪。為了清除道路上的積雪,需要使用除冰鹽,這可能會損壞混凝土,並污染地下水,」Soliman指出。用於在道路上撒鹽的重型卡車也是重型排放物,而且運行費用昂貴。

通過實現路面的輻射加熱,納米碳水泥可以用來為路面除冰,而不需要道路鹽,這可能會節省數百萬美元的維修和運營成本,同時彌補安全和環境問題。在某些應用中,保持特殊的路面條件是最重要的,如機場跑道,這項技術可能被證明是特別有利的。

研究人員用納米碳黑使水泥具有導電和發熱特性

雖然這種最先進的水泥為一系列問題提供了優雅的解決方案,但實現多功能帶來了各種技術挑戰。例如,如果沒有辦法將納米粒子排列成一個有效的電路–稱為體積布線–在水泥內,它們的導電性將不可能被利用。為了確保理想的體積布線,研究人員調查了一種被稱為迂曲度的特性。

「迂曲度是我們通過類比從擴散領域引入的一個概念,」該論文的領導者和共同作者、麻省理工學院土木與環境工程系的教授以及CSHub的教師顧問Franz-Josef Ulm解釋說。”在過去,它描述了離子如何流動。在這項工作中,我們用它來描述電子在體積線中的流動。”

Ulm用一輛汽車在一個城市的兩點之間行駛的例子來解釋迂曲度。雖然這兩點之間的距離,就像烏鴉飛過一樣可能是兩英里,但由於街道的迂曲度,實際行駛的距離可能更大。在水泥中的電子也是如此。它們在樣品中必須採取的路徑總是比樣品本身的長度要長。該路徑的長短程度就是曲率。

實現最佳的曲率意味著平衡碳的數量和分散性。如果碳的分散程度太高,體積布線將變得稀疏,導致高迂曲度。同樣,如果樣品中沒有足夠的碳,迂曲度將過大,無法形成具有高導電性的直接、有效的布線。

即使添加大量的碳,也會產生反作用。在某一點上,電導率將不再提高,而且從理論上講,如果大規模實施,只會增加成本。由於這些錯綜復雜的問題,他們試圖優化他們的混合物。

「我們發現,通過對碳的體積進行微調,我們可以達到2的迂曲度值,」Ulm說。”這意味著電子所走的路徑只是樣品長度的兩倍。”

量化這種特性對Ulm和他的同事來說至關重要。他們最近的論文的目標不僅僅是證明多功能水泥是可能的,而且證明它在大規模生產中也是可行的。

“關鍵的一點是,為了讓工程師拿起東西,他們需要一個量化的模型,”Ulm解釋說。”在你將材料混合在一起之前,你希望能夠期待某些可重復的特性。這正是本文所概述的;它將邊界條件–(外在的)環境條件–所導致的東西與真正由材料內的基本機制所導致的東西分開。”

通過隔離和量化這些機制,Soliman、Chanut和Ulm希望為工程師提供他們在更大范圍內實施多功能水泥所需要的東西。他們所規劃的道路是一條很有前途的道路–而且,由於他們的工作,應該不會證明太過曲折。

來源:cnBeta