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麻省理工学院开发纳米炭黑导电混凝土
2021-5-8 9:03:00
 

 

  混凝土非常有用,这就是为什么它是世界上使用最广泛的建筑材料的原因。但是可以说,它实际上并没有做任何事情。现在,工程师们通过掺入纳米碳黑来制造可以导电并产生热量的混凝土。
通常,混凝土是绝缘体,是抗电的,但是最近的研究集中在使其导电。向混合物中添加某种形式的碳通常可以解决问题,过去的版本正在自动融雪的机场跑道上进行测试。
 
  对于这项新研究,麻省理工学院混凝土可持续发展中心(CSHub)和法国国家科学研究中心(CNRS)的研究人员向混凝土中添加了纳米碳黑,这是一种廉价的碳材料,具有出色的导电性。仅占体积的百分之四,混凝土就能够承载电流-结果,它也散发出热量。
使电流流过导电混凝土会使其升温
 
  该研究的合著者尼古拉斯·尚努特(Nicolas Chanut)说:"焦耳加热(或电阻加热)是由导体中移动的电子与原子之间的相互作用引起的。" "电场中的加速电子每次与原子碰撞时都会交换动能,从而引起晶格中原子的振动,这表现为热量和材料中温度的升高。"
新型导电混凝土是通过混入少量纳米碳黑制成的
 
  该论文的主要作者,麻省理工学院CSHub博士后南希·索利曼(Nancy Soliman)认为,这项研究有可能为一种已经很流行的建筑材料增加一个全新的维度。她解释说:"这是导电胶的一阶模型。" "而且它将带来鼓励扩大此类[多功能]材料所需的[知识]。"
 
从纳米级到最新技术
 
  在过去的几十年中,纳米碳材料因其独特的性能组合(其中最主要的是导电性)而激增。以前,科学家和工程师已经提出了一种材料的开发,如果将其掺入水泥和混凝土中,它们可以赋予水泥和混凝土导电性。对于这项新工作,Soliman希望确保他们选择的纳米碳材料价格合理,足以大规模生产。她和她的同事们选择了纳米碳黑-一种具有出色电导率的廉价碳材料。他们发现他们对电导率的预测得到了证实。索利曼说:"混凝土自然是一种绝缘材料,但是当我们添加纳米碳黑颗粒时,它会从绝缘体变成导电材料。"通过将纳米炭黑的混合量仅占混合物的4%,Soliman和她的同事发现它们可以达到渗滤阈值,即样品可以承受电流的点。他们注意到,这股电流也有一个有趣的结果:它可能产生热量。这是由于所谓的焦耳效应。
  论文的合著者,麻省理工学院CSHub博士后Nicolas Chanut解释说:"焦耳加热(或电阻加热)是由导体中移动的电子与原子之间的相互作用引起的。"电场中的加速电子每次与原子碰撞时都会交换动能,从而引起晶格中原子的振动,这表现为热量和材料中温度的升高。"在他们的实验中,他们发现即使是很小的电压(低至5伏)也可以将其样品的表面温度(大小约为5cm3)提高到41摄氏度(约100华氏度)。虽然标准热水器可能达到可比较的温度,但与传统的加热策略相比,考虑这种材料的实现方式非常重要。"该技术可能是辐射室内地板采暖的理想选择," Chanut解释道。通常,室内辐射采暖是通过使热水在地板下运行的管道中循环来完成的。但是,该系统的构建和维护可能具有挑战性。但是,当水泥本身成为加热元件时,加热系统将变得更易于安装且更可靠。此外,由于纳米粒子在材料中的良好分散,水泥提供了更均匀的热分布。"
  纳米碳水泥在户外也可以有多种应用。Chanut和Soliman认为,如果在混凝土路面上使用,纳米碳水泥可以减轻耐久性,可持续性和安全性问题。这些问题大部分来自使用盐来除冰。"在北美,我们看到很多雪。要清除道路上的积雪,需要使用除冰盐,这可能会损坏混凝土并污染地下水。" 用于加盐道路的重型卡车也很重,而且运行成本高。通过在路面上辐射加热,纳米碳水泥可用于在不增加道路盐分的情况下为路面除冰,潜在地节省了数百万美元的维修和运营成本,同时消除了对安全和环境的担忧。在某些情况下,保持特殊的路面状况至关重要(例如机场跑道),该技术可能会证明是特别有利的。
 

                                    来源:中国商品混凝土网

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