通過再生能源技術來收集能量的概念在過去幾十年中引起了很大的關注。土木基礎設施為利用壓電材料收集大規(guī)模振動和/或結構變形所產(chǎn)生的能量提供了巨大的機會。壓電材料具有很高的能量密度，可以將機械能直接轉(zhuǎn)化為電能。在壓電材料中，聚偏氟乙烯(PVDF)奈米纖維是一種受歡迎的柔性壓電聚合物，因其卓越的壓電係數(shù)和高延展性而廣受青睞。本研究通過將柔性PVDF奈米纖維納入高延展鋼纖維增強水泥基材料中，作為一種創(chuàng)新的能量收集系統(tǒng)來回收延展性水泥基材料的機械變形所產(chǎn)生的能量。為了評估能量轉(zhuǎn)換效率和電壓輸出，使用同步彎曲試驗和電壓數(shù)據(jù)記錄。通過對四點彎曲的多種加載速率和PVDF奈米纖維不同配置的能量收集性能進行分析。結果表明，高測試加載速率和長的PVDF纖維對能量收集是有利的。實驗結果為開發(fā)用於能量收集應用的多功能建材奠定了堅實的基礎。

視頻中的演講者是來自普渡大學的Yem Frank Zu，他將為我們介紹通過納米材料摻入實現(xiàn)能量收集的水泥基材料。以下為視頻主要內(nèi)容：

好的，下午好，大家。我叫Yem Frank Zu，是普渡大學土木工程系的博士生，我的導師是Lunalu教授。今天我要跟大家分享的主題是通過納米材料摻入實現(xiàn)能量收集的水泥基材料。

元混凝土 那么，讓我們開始吧。我們知道，混凝土是最廣泛使用的建筑材料，因為它的成本低，而且適應性強。近年來，納米技術的快速發(fā)展為混凝土賦予了新的功能提供了一個令人興奮的機會。通過先進的制造過程，比如納米技術，混凝土可以被定義為元混凝土，這是我們在下面的文章中提出的概念。這意味著混凝土具有可適應的性能，可以用于不同的應用，比如能量收集、傳感、隔熱、自清潔等等。今天我們要重點介紹的是能量收集部分。

動機 說到動機，民用基礎設施為潛在的能量收集提供了很多途徑。根據(jù)2018年的聯(lián)邦公路統(tǒng)計數(shù)據(jù)，美國的公共混凝土鋪設長度是55,000英里，混凝土橋面積是2億平方米，這是非常多的。所以我們實際上可以收集能量，比如太陽輻射、溫度梯度、振動或溫度變化，使用不同的方法，比如光伏、熱電、壓電和熱釋電。我們的小組今天我要介紹我們小組的一些研究，主要集中在熱電和壓電方面。

能量收集-熱電 首先，我們從熱電開始。熱電材料是一種當暴露于溫差時，電子會從熱端向冷端移動，產(chǎn)生開路電壓的材料。作為一個熱機，熱電裝置的效率由卡諾效率和材料性能決定，材料性能用一個參數(shù)ZT來表示。要獲得高的ZT，我們需要材料具有高的塞貝克系數(shù)S和高的電導率σ，以及低的熱導率k。只有當ZT達到3到4時，熱電裝置才能與當前的發(fā)電方式相競爭。

混凝土/瀝青路面中的能量收集潛力是什么？那么，混凝土或瀝青路面或基礎設施中的能量收集潛力是什么呢？你可以看到在你右邊的圖片中，時間和溫度的關系，我們有熱點混凝土（黑線）和空氣（紫線）。我們可以觀察到，混凝土路面表面溫度與空氣溫度之間的溫差（ΔT）從25華氏度到58華氏度不等。這意味著這是一個很好的機會，我們可以使用熱電材料來收集能量。

混凝土中的氧化物納米材料 這是我們的一個研究，使用氧化物納米材料在混凝土中。我們使用了兩種不同的氧化物材料，氧化鋅和摻鋁氧化鋅，與一型水泥混合。添加率從0.2%到1%不等，按水泥重量計算。

我們進行了一系列的實驗測試，來評估熱電性能，比如塞貝克系數(shù)、電導率和熱導率。這張幻燈片展示了我們在進行塞貝克系數(shù)測量之前的情況。對于塞貝克系數(shù)的測量，熱功率的測量是通過電壓差除以溫度差來計算的。在你的左手邊，是溫度和電壓輸出的關系，我們得到了。我們有參考樣品和另外兩個樣品，分別摻入了氧化鋅和摻鋁氧化鋅。我們發(fā)現(xiàn)，在摻鋁氧化鋅的樣品中，塞貝克系數(shù)有30%的提高，摻入量為0.4%。

另一個性能是電導率，我們在28天時得到了這個結果，是混合設計與電導率的關系。你可以看到，紅色的是摻鋁氧化鋅的樣品，黑色的三角形是參考樣品。摻鋁氧化鋅的樣品的電導率比普通水泥高了37%，這是令人印象深刻的。

正如我剛才提到的，我們需要有低的熱導率，才能有高的熱電轉(zhuǎn)換效率。左邊的圖顯示了混合設計與熱導率的關系，我們發(fā)現(xiàn)，隨著納米顆粒摻入量的增加，熱導率降低了。我們還測量了每個樣品的密度，我們發(fā)現(xiàn)，熱導率隨著密度的降低而降低。我們還做了熱電功率潛力的建模工作，右邊的圖顯示了。估計的功率輸出是10毫瓦每平方厘米，溫差為50開爾文，這足以為一些小型電子設備提供電力，比如LED燈、傳感器或結構健康監(jiān)測。

另一個有趣的話題是使用壓電材料來進行能量收集。壓電材料的原理是基于直接效應和反向效應，它們可以把機械力轉(zhuǎn)換為電能，反之亦然。我們都知道，振動無處不在，我們可以把來自基礎設施的振動能量轉(zhuǎn)化為電能，儲存在能量存儲裝置中，然后用于其他的應用。

其中一種有前途的壓電材料是PVDF，PVDF是一種聚合物基壓電材料，具有很高的柔性，可以適應結構的不同部位。所以我們研究了使用PVDF的方法。在我們的實驗室里，我們使用電紡設備來制備PVDF的β相納米纖維，并把它作為裝置，摻入到水泥基材料中。對于PVDF來說，β相更適合于壓電性能，可以提高壓電性能。所以我們會盡量增加β相的含量。

對于PVDF的納米纖維，這是我和我的同事一起做的，我們有不同濃度的PVDF前驅(qū)體，從8%到40%。我們發(fā)現(xiàn)，對于8%的樣品，它有最高的β相含量，達到了80%。

我們可以得到更細的纖維，這些纖維通過電紡過程會產(chǎn)生更高的極化，因此，具有細小尺寸的PVDF納米纖維具有高的β相含量，這意味著我們會有更高的能量收集效率。

實驗裝置 我們還做了一些試驗性的測試，用于壓電式能量發(fā)生器，我們把PVDF納米纖維嵌入到可彎曲的混凝土ECC中，然后我們做了四點彎曲試驗，測試載荷速率我們改變了拉伸速率，從0.5毫米每秒到2毫米每秒，我們有不同的樣品長度。

結果 這里只是一個結果，是機械測試的結果，樣品的平均最佳結構強度是4.6兆帕，彈性模量是28千兆帕，加載速率從0.5到2毫米每秒的變化并沒有顯示出什么明顯的影響，對結構性能的影響。但是值得注意的是，我們還記錄了測試過程中的累積輸出電壓。

電壓輸出 這張幻燈片展示了不同配置的樣品和累積輸出電壓。我們可以看到，累積輸出電壓隨著加載速率的增加而增加，高加載速率的樣品比其他樣品有更高的電壓，大約是三到五倍，而且長樣品比短樣品有更高的結果。

結論 所以，總結我們的工作，對于熱電部分，氧化鋅和摻鋁氧化鋅是有效的納米顆粒，可以調(diào)節(jié)水泥基材料的熱電行為，摻鋁氧化鋅納米顆粒的0.4%濃度表現(xiàn)出最好的結果，因為它有最高的塞貝克系數(shù)，我們得到的估計功率輸出是10毫瓦每平方厘米，這對于給小型電子設備供電是很好的。對于壓電部分，我們的累積電壓可以達到17千伏，這對于多功能操作材料是有利的。