水泥基储能材料正向我们走来！

通过再生能源技术来收集能量的概念在过去几十年中引起了很大的关注。土木基础设施为利用压电材料收集大规模振动和/或结构变形所产生的能量提供了巨大的机会。压电材料具有很高的能量密度，可以将机械能直接转化为电能。在压电材料中，聚偏氟乙烯(PVDF)奈米纤维是一种受欢迎的柔性压电聚合物，因其卓越的压电係数和高延展性而广受青睞。本研究通过将柔性PVDF奈米纤维纳入高延展钢纤维增强水泥基材料中，作为一种创新的能量收集系统来回收延展性水泥基材料的机械变形所产生的能量。为了评估能量转换效率和电压输出，使用同步弯曲试验和电压数据记录。通过对四点弯曲的多种加载速率和PVDF奈米纤维不同配置的能量收集性能进行分析。结果表明，高测试加载速率和长的PVDF纤维对能量收集是有利的。实验结果为开发用於能量收集应用的多功能建材奠定了坚实的基础。

视频中的演讲者是来自普渡大学的Yem Frank Zu，他将为我们介绍通过纳米材料掺入实现能量收集的水泥基材料。以下为视频主要内容：

好的，下午好，大家。我叫Yem Frank Zu，是普渡大学土木工程系的博士生，我的导师是Lunalu教授。今天我要跟大家分享的主题是通过纳米材料掺入实现能量收集的水泥基材料。

元混凝土 那么，让我们开始吧。我们知道，混凝土是最广泛使用的建筑材料，因为它的成本低，而且适应性强。近年来，纳米技术的快速发展为混凝土赋予了新的功能提供了一个令人兴奋的机会。通过先进的制造过程，比如纳米技术，混凝土可以被定义为元混凝土，这是我们在下面的文章中提出的概念。这意味着混凝土具有可适应的性能，可以用于不同的应用，比如能量收集、传感、隔热、自清洁等等。今天我们要重点介绍的是能量收集部分。

动机 说到动机，民用基础设施为潜在的能量收集提供了很多途径。根据2018年的联邦公路统计数据，美国的公共混凝土铺设长度是55,000英里，混凝土桥面积是2亿平方米，这是非常多的。所以我们实际上可以收集能量，比如太阳辐射、温度梯度、振动或温度变化，使用不同的方法，比如光伏、热电、压电和热释电。我们的小组今天我要介绍我们小组的一些研究，主要集中在热电和压电方面。

能量收集-热电 首先，我们从热电开始。热电材料是一种当暴露于温差时，电子会从热端向冷端移动，产生开路电压的材料。作为一个热机，热电装置的效率由卡诺效率和材料性能决定，材料性能用一个参数ZT来表示。要获得高的ZT，我们需要材料具有高的塞贝克系数S和高的电导率σ，以及低的热导率k。只有当ZT达到3到4时，热电装置才能与当前的发电方式相竞争。

混凝土/沥青路面中的能量收集潜力是什么？那么，混凝土或沥青路面或基础设施中的能量收集潜力是什么呢？你可以看到在你右边的图片中，时间和温度的关系，我们有热点混凝土（黑线）和空气（紫线）。我们可以观察到，混凝土路面表面温度与空气温度之间的温差（ΔT）从25华氏度到58华氏度不等。这意味着这是一个很好的机会，我们可以使用热电材料来收集能量。

混凝土中的氧化物纳米材料 这是我们的一个研究，使用氧化物纳米材料在混凝土中。我们使用了两种不同的氧化物材料，氧化锌和掺铝氧化锌，与一型水泥混合。添加率从0.2%到1%不等，按水泥重量计算。

我们进行了一系列的实验测试，来评估热电性能，比如塞贝克系数、电导率和热导率。这张幻灯片展示了我们在进行塞贝克系数测量之前的情况。对于塞贝克系数的测量，热功率的测量是通过电压差除以温度差来计算的。在你的左手边，是温度和电压输出的关系，我们得到了。我们有参考样品和另外两个样品，分别掺入了氧化锌和掺铝氧化锌。我们发现，在掺铝氧化锌的样品中，塞贝克系数有30%的提高，掺入量为0.4%。

另一个性能是电导率，我们在28天时得到了这个结果，是混合设计与电导率的关系。你可以看到，红色的是掺铝氧化锌的样品，黑色的三角形是参考样品。掺铝氧化锌的样品的电导率比普通水泥高了37%，这是令人印象深刻的。

正如我刚才提到的，我们需要有低的热导率，才能有高的热电转换效率。左边的图显示了混合设计与热导率的关系，我们发现，随着纳米颗粒掺入量的增加，热导率降低了。我们还测量了每个样品的密度，我们发现，热导率随着密度的降低而降低。我们还做了热电功率潜力的建模工作，右边的图显示了。估计的功率输出是10毫瓦每平方厘米，温差为50开尔文，这足以为一些小型电子设备提供电力，比如LED灯、传感器或结构健康监测。

另一个有趣的话题是使用压电材料来进行能量收集。压电材料的原理是基于直接效应和反向效应，它们可以把机械力转换为电能，反之亦然。我们都知道，振动无处不在，我们可以把来自基础设施的振动能量转化为电能，储存在能量存储装置中，然后用于其他的应用。

其中一种有前途的压电材料是PVDF，PVDF是一种聚合物基压电材料，具有很高的柔性，可以适应结构的不同部位。所以我们研究了使用PVDF的方法。在我们的实验室里，我们使用电纺设备来制备PVDF的β相纳米纤维，并把它作为装置，掺入到水泥基材料中。对于PVDF来说，β相更适合于压电性能，可以提高压电性能。所以我们会尽量增加β相的含量。

对于PVDF的纳米纤维，这是我和我的同事一起做的，我们有不同浓度的PVDF前驱体，从8%到40%。我们发现，对于8%的样品，它有最高的β相含量，达到了80%。

我们可以得到更细的纤维，这些纤维通过电纺过程会产生更高的极化，因此，具有细小尺寸的PVDF纳米纤维具有高的β相含量，这意味着我们会有更高的能量收集效率。

实验装置 我们还做了一些试验性的测试，用于压电式能量发生器，我们把PVDF纳米纤维嵌入到可弯曲的混凝土ECC中，然后我们做了四点弯曲试验，测试载荷速率我们改变了拉伸速率，从0.5毫米每秒到2毫米每秒，我们有不同的样品长度。

结果 这里只是一个结果，是机械测试的结果，样品的平均最佳结构强度是4.6兆帕，弹性模量是28千兆帕，加载速率从0.5到2毫米每秒的变化并没有显示出什么明显的影响，对结构性能的影响。但是值得注意的是，我们还记录了测试过程中的累积输出电压。

电压输出 这张幻灯片展示了不同配置的样品和累积输出电压。我们可以看到，累积输出电压随着加载速率的增加而增加，高加载速率的样品比其他样品有更高的电压，大约是三到五倍，而且长样品比短样品有更高的结果。

结论 所以，总结我们的工作，对于热电部分，氧化锌和掺铝氧化锌是有效的纳米颗粒，可以调节水泥基材料的热电行为，掺铝氧化锌纳米颗粒的0.4%浓度表现出最好的结果，因为它有最高的塞贝克系数，我们得到的估计功率输出是10毫瓦每平方厘米，这对于给小型电子设备供电是很好的。对于压电部分，我们的累积电压可以达到17千伏，这对于多功能操作材料是有利的。