30733

ساخت كامپوزيت سيماني ترموالكتريك برپايه نانو ساختارهاي نيم رسانا

كارشناسي ارشد

مهندسي سازه

1400

1402/10/26

اصغر حبيب نژاد كورايم

بابك عفافي

مهندسي عمران

سيمان يكي از پرمصرف ترين مصالح عمراني بشمار مي رود. در دهه اخير توليد جريان الكتريكي از مواد پايه سيماني توجه زيادي را به خود جلب كرده است. مواد ترموالكتريك مي توانند به صورت مستقيم انرژي پسماند و گرماي اضافي محيط را به انرژي الكتريكي تبديل كنند. با توجه به كاربرد گسترده مواد پايه سيماني در زيرساخت ها، توليد انرژي الكتريكي از زيرساخت هاي عمراني ساخته شده از سيمان به كمك خواص ترموالكتريك مي تواند يكي از راه هاي تامين انرژي بشمار رود. رسانايي كم خمير سيمان و حامل هاي بار اندك آن براي توليد اختلاف پتانسيل چالشي را براي برداشت انرژي به روش ترموالكتريك ايجاد كرده است. براي برداشت انرژي از بتن به روش ترموالكتريك بايد خواص الكتريكي و حرارتي آن را با افزايش ضريب سيبك و رسانايي الكتريكي و كاهش رسانايي گرمايي بهبود بخشيد. تاكنون روش هاي زيادي براي بهبود ويژگي هاي ترموالكتريك خمير سيمان پيشنهاد شده است. برخي از اين روش ها موثر و كافي نبوده يا با وجود بهبود خواص ترموالكتريك به دليل كاهش استحكام سيمان و هزينه بالا قابل استفاده در زيرساخت هاي عمراني نيستند. برخلاف مواد رسانا كه به سرعت گرما را انتقال مي دهند مواد نيم رسانا گرما را با سرعت كمتري انتقال مي دهند. در اين پژوهش، نقاط كوانتومي گرافن و موليبدن دي-سولفيد به عنوان مواد نيم رسانا جهت بهبود خواص ترموالكتريك خمير سيمان استفاده شده است. براي بهبود عملكرد ترموالكتريك خمير سيمان، فرضياتي از جمله بهبود رسانايي الكتريكي به واسطه افزايش تعداد حامل هاي بار الكتريكي ناشي از افزودن مواد نيم رسانا به نمونه ها، بهبود ضريب سيبك به دليل بوجود آمدن اختلاف دماي پايدارتر و كاهش رسانايي گرمايي از طريق پراكندگي فونون به دليل اندازه بسيار كوچك افزودني ها درنظر گرفته شد. بعلاوه، تنها بهبود عملكرد ترموالكتريكي خمير سيمان كافي نيست و حضور اين ذرات افزودني نبايد مقاومت سيمان را دچار آسيب كند. در اين پژوهش به كمك آزمايش هاي رسانايي الكتريكي، ضريب سيبك، رسانايي گرمايي و شاخص شايستگي ترموالكتريك براي چهار نمونه مختلف محاسبه شد. نتايج نشان داده است با افزودن 0/12 درصد وزني نقاط كوانتومي گرافن و 1/0 درصد وزني نانو ذرات موليبدن دي سولفيد به صورت جداگانه و در نهايت تركيب اين دو نانو ماده، ضريب بي بعد شايستگي، كه نشان دهنده عملكرد ترموالكتريك است، به ترتيب از 8-^10×3/29در نمونه شاهد به 6-^10×4/39، 7-^10×9/46 و 6-^10×2/56 افزايش يافت. علاوه برآن افزودن اين نانو ذرات به محيط سيماني باعث شد تا رسانايي گرمايي در حدود 12 درصد كاهش يابد كه يكي از عوامل كاهش مصرف انرژي در سازه ها خواهد بود. افزودن همزمان اين دونانو ماده نيز باعث افزايش مقاومت فشاري خمير سيمان در حدود 26 درصد شده است.

1403/01/28

Fabrication of thermoelectric cement composite based on semiconductor nanostructures

1/1/1900 12:00:00 AM

Cement is one of the most widely used construction materials. In recent decades, generating electrical current from cementitious materials has garnered significant attention. Thermoelectric materials can directly convert waste energy and excess heat from the environment into electrical energy. Considering the widespread use of cement-based materials in infrastructures, generating electrical energy from cement-based infrastructures using thermoelectric properties can be considered as one of the methods for energy supply. The low conductivity of cement paste and its minimal charge carriers pose a challenge for harvesting energy through the thermoelectric method. To harvest energy from concrete using the thermoelectric method, its electrical and thermal properties must be altered properly by increasing the Seebeck coefficient and electrical conductivity while reducing thermal conductivity. Several methods have been proposed to enhance the thermoelectric properties of cement paste. However, some of these methods have proven to be ineffective or insufficient, while others, despite improving the thermoelectric properties, are not suitable for use in civil infrastructure due to the reduction in cement strength and high cost. Unlike conductive materials that quickly conduct heat, semiconductor materials transfer heat at a slower rate. In this study, graphene quantum dots and molybdenum disulfide have been used as semiconductor materials to enhance the thermoelectric properties of cement paste. In this study, graphene quantum dots and molybdenum disulfide have been employed as semiconductor materials to enhance the thermoelectric properties of cement paste. Hypotheses such as the improvement of electrical conductivity due to the increase in the number of electric charge carriers resulting from the addition of semiconductor materials to the samples, the enhancement of the Seebeck coefficient due to the occurrence of a more stable temperature difference, and the reduction of thermal conductivity through phonon scattering owing to the small size of the additives have been considered to enhance the thermoelectric performance of cement paste. In addition, merely enhancing the thermoelectric performance of the cement paste is not sufficient, and the presence of these additive particles should not compromise the strength of the cement. In this study, electrical conductivity, Seebeck coefficient, thermal conductivity, and the figure of merit for four different samples were calculated through experimental analyses. By incorporating 0.12% by weight of graphene quantum dots and 0.10% by weight of molybdenum disulfide nanoparticles separately, and finally their combination, the dimensionless figure of merit, indicating thermoelectric performance, increased from 3.29 × 10^-8 in the reference sample to 4.39 × 10^-6, 9.46 × 10^-7, and 2.56 × 10^-6, respectively. Furthermore, the addition of these nanoparticles to the cement matrix resulted in a reduction of thermal conductivity by approximately 12%, which is one of the factors contributing to energy consumption reduction in structures. Simultaneous addition of these two nanomaterials has also increased the compressive strength of the cement paste by approximately 26%.

ترموالكتريك , نقاط كوانتومي گرافن , موليبدن دي سولفيد , خمير سيمان

Alimohammad Gholizadeh

Asghar Habibnejad korayem