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水泥能導電發熱!? 應用奈米碳黑導熱只要5分鐘


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發布 | 2021-04-27 437 0 中評

文 / 918建材庫


圖說:美國麻省理工學院的CSHub博士Nicolas Chanut和Nancy Soliman所研發的兩個導電水泥樣品。(照片來源 / MIT CSHub)

 

一般而言,混凝土的熱傳導係數在常溫狀態下,會比玻璃、磚還要來得高,所以考量結構物耐震及節能的需求下,隔熱混凝土越來越受到重視,但若需應用在具有「保溫」功能的建物或道路上,勢必就得暗埋地暖管線。如今美國麻省理工學院已研發出可導電發熱的多功能水泥,未來將可應用在保溫的空間設備上。
 

根據美國麻省理工學院上周發布的新聞稿指出,這種混凝土複合材料之所以能研發成功要歸功於校內成立的混凝土永續中心(Concrete Sustainability Hub,CSHub)與法國國家科學研究中心(CNRS)多年來的攜手合作,他們透過成本較低的奈米碳黑(nanocarbon black)材料加工於水泥混和物內後,使原本屬絕緣材料的混凝土搖身一變成為導電材料,而這項研究也已論文的形式刊登在《物理評論期刊》中。

|導熱原理


該論文的作者麻省理工學院混凝土永續中博士南希•索利曼(Nancy Soliman)表示,過去10年來,納米碳材料因其獨特性能組合(其中最主要的是導電性)而開始激增,因此研究團隊便開始研究如何將這種導電材料結合在水泥和混凝土內,希望日後能賦予水泥和混凝土導電性。

 

研究過程中,團隊發現,在水泥中加入4%的奈米碳黑後,便測得滲透門檻現象(percolation threshold),這意味著電能從材料的一端貫穿抵達另一端,同時也產生了焦耳升溫現象,也就是電流通時震動導體內部原子來促使溫升。
 

不僅如此,研究團隊還發現,即使採用小電壓(低至5V)也可以將其樣品的表面溫度(大小約為5立方公分)提高到攝氏41度(約100華氏度)。雖然以熱水器的加熱效果來說,還有很明顯的差距,但是應用在「地暖」保溫功能上,將能省下更高的成本。

|技術上的難題


因為奈米顆粒可以在水泥中均勻分布,加熱不僅更加均勻,如果能應用在道路除冰,也可以省下運輸大量除冰鹽的金錢與時間成本。但是這種應用仍有許多技術上的挑戰,因為若無法將奈米顆粒對準水泥中的功能電路(functioning circuit、體積接線 volumetric wiring),就沒辦法獲得更好的電導性。

 

因此,研究團隊將一種名叫「曲折率」(tortuosity)的概念來描述電子在功能電路中的流動狀況。該論文的共同作者CSHub教職顧問Franz-Josef Ulm解釋,以城市中不同的兩個地點來看,兩個地點間的距離有可能是兩英里,但因為街道曲折的關係,實際距離就會更長,如果能以直線飛行,所需的時間較少,若是步行,實際行駛的距離就會不同,所行走時間也會更久。
 

換句話說,電在混凝土或水泥中的行進路徑也是如此,其距離會比直線距離來得更長,這就是曲折率的概念。因此,必須要平衡添加奈米碳黑的數量和擴散程度,過度分散和密集都會影響導電問題。但研究團隊透過微調碳的體積,已經使曲折率達到電子路徑達到實驗樣品程度的2倍,證明了多功能水泥的可行性。
 

參考資料來源:MIT

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