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碳纤维增强水泥基复合材料(Carbon Fiber Reinforced Cement Composites,简称CFRC)是一种新型智能结构材料,其在城市与工业热能转换收集、重要建筑结构健康监测传感器和道路低能耗热融除雪领域应用前景广阔。目前CFRC的Seebeck系数值较小,热电性能还不够高,这成为制约其应用的主要因素。本文通过对CFRC研究发展现状的分析,针对如何提高Seebeck系数,提出采用金属氧化物添加、金属氧化物/基体界面、碳纤维/基体界面调整,复合有序Cu纤维等方法,研究CFRC-Seebeck系数的优化途径,揭示CFRC-Seebeck效应的强化机理。(1)研究金属氧化物/基体含量对CFRC-Seebeck系数的影响。Fe2O3及Bi2O3含量分别为0.5wt%、1.0wt%、2.5wt%、5.0wt%、7.5wt%、10.0wt%、12.5wt%和15.0wt%。结果表明:氧化物含量在0.5-5.0wt%范围内,随着氧化物含量增加,所测量的CFRC的热电势曲线随温度升高而增大,Seebeck系数值较原始试样提高4-5倍,当Bi2O3的添加含量为5.0wt%时,CFRC-Seebeck系数绝对值最大达到+100.28μV/℃。当添加含量在7.5wt%-15.0wt%范围时,热电势曲线表现为先增大,后趋于平稳。(2)研究金属氧化物/基体界面密度(通过氧化物粒度表征)和空气/基体界面密度(通过水灰比表征)对CFRC-Seebeck系数和电导率的影响。选取Fe2O3粒径(50-200nm)、(200-500nm)、(1-10μm),Fe3O4粒径(50-150nm)、(150-250nm)、(250-500nm)进行配比。结果表明:Fe2O3粒径在50-200nm和200-500nm范围内,随着粒径增大,电导率增大,Seebeck系数减小,功率因数曲线几乎不变;Fe3O4粒径在50-150nm、150-250nm,250-500nm范围内,随着粒径增大,CFRC-Seebeck系数曲线降低,功率因数曲线也逐渐降低。对比Fe3O4粒径在50-150nm、150-250nm,250-500nm范围内的CFRC电导率曲线,当处于低温阶段时,大粒径的电导率曲线较高;温度较高时,小粒径的电导率曲线较高。水灰比为2.7:10、2:5,分别添加Fe2O3及Fe3O4颗粒,结果表明:水灰比为2:5时,对比水灰比2.7:10,CFRC-Seebeck系数值和电导率均较小(电导率相差一个数量级),小的水灰比有利于CFRC-Seebeck系数和电导率的提高。(3)研究碳纤维/基体界面密度(通过碳纤维表面粗糙度表征)对CFRC-Seebeck系数和电导率的影响;将碳纤维浸渍在浓度分别为0.5wt%、1.0wt%、3.0wt%、5.0wt%的酚醛树脂中,其表面粗糙度随浸渍浓度的增加而逐渐增加。结果表明:在浸渍浓度为1.0-5.0wt%范围内,随着碳纤维表面粗糙度的增加,CFRC电导率和Seebeck系数值均增大;含Fe3O4的CFRC样品,在碳纤维表面粗糙度最大时(浸渍浓度为5.0wt%),CFRC-Seebeck系数达到最大值+123.5m V/℃。碳纤维表面粗糙度相同条件下,添加Fe3O4的CFRC的电导率和Seebeck系数均大于含Fe2O3的样品;(4)研究Cu纤维/基体界面密度对CFRC-Seebeck系数的影响。在碳纤维含量0.5wt%和1.0wt%的CFRC样品中,定向均匀布置直径为0.5mm的Cu纤维,纤维体积分数分别选取0.125vol%、0.25vol%、0.5vol%。结果表明:碳纤维含量相同时,Cu为0.25vol%的CFRC电导率和Seebeck系数均接近于Cu含量为0.125vol%和0.5vol%的两倍。当CFRC中碳纤维为1.0wt%,且铜纤维含量为0.25vol%时,CFRC电导率和Seebeck系数值达到最大。在Cu纤维添加含量相同,碳纤维含量1.0wt%的CFRC样品的电导率和Seebeck系数值均高于碳纤维含量为0.5wt%的CFRC;这表明,碳纤维含量在0.5-1.0wt%范围内,随着碳纤维含量增加,CFRC的电导率和Seebeck系数值均提高。