一般的混凝土是不会导电的,自然是种绝缘材料,不过可因应不同需求与应用,添加不同的材料来达到不一样的效果。美国麻省理工便透过奈米碳黑(nanocarbon black),研发出可导电并发热的多功能混凝土,可应用在室内加温,创造新的材料革命。
过去十几年来,奈米碳材料得益于优秀的电导率应用激增,科学家与工程师们藉此开发出许多特殊複合材料,并用在生医、催化剂、电化学等领域,除此之外,也有提出添入水泥或混凝土中,赋予常见建材不同的功能。 这次美国麻省理工混凝土永续中心(Concrete Sustainability Hub,CSHub)与法国国家科学研究中心(CNRS)携手合作,选用较为便宜的奈米碳黑(nanocarbon black)材料加工混凝土一番,博士后兼论文主要作者 Nancy Soliman 表示,想当然尔,混凝土是种绝缘材料,但添加奈米碳黑之后,可化身成导电材料。 在这项跨国研究中,团队还发现这款新型的奈米碳黑混凝土还有另一种功能,在混凝土加入 4% 的奈米碳黑后,测得渗透门槛现象(percolation threshold),电子能从材料的一端贯穿抵达另一端,同时也会出现焦耳加热现象,也就是电流通时震动导体内部原子、促使温升情形。实验指出,即使是低至 5V 的电压,也可以将 5 立方公分材料的表面温度提高到摄氏 41 度,虽然以加热效果来说,还是标准的热水器优胜,但这项技术还有其他应用,共同作者 Nicolas Chanut 表示,这将是优良的地暖系统,通常地暖系统都是透过底下的热水管帮地板加温,当水泥除了地板还有加温功用后,不仅能一石二鸟,更何况奈米颗粒可以在水泥中均匀分布,加热更均匀。除此之外也能用在道路除冰,可以省下大量的盐,跟省下运输大量盐的金钱与时间成本。 但实务上也没有那麽简单,如果没办法将奈米颗粒对准水泥中的功能电路(functioning circuit、体积接线 volumetric wiring)就没办法善加利用材料的电导性。团队在该研究引入全新的曲折率(tortuosity)概念,CSHub 教职顾问 Franz-Josef Ulm 表示,通常这个概念用于表示离子如何流动,如今我们用它来描述电子在体积接线的流动。 团队以两点之间的移动来说明曲折率概念,如果直线飞行短短几公里即可抵达,所需时间也更少,但若是走平面道路,实际行驶的距离将更长、所需时间也更久,团队指出,在水泥中流动的电子也是如此,总是要“走”比较远的路,而曲折率便是比直线路径更长的程度。 因此必须要平衡奈米碳黑的数量和扩散程度,如果过于分散,电子就得走更长的路,可若没有足够的碳,那麽曲折率也会太高而降低导电度,碳过于密集也会适得其反,Ulm 表示,团队透过微调碳的体积,曲折率已达 2,电子採用的路径仅为样品长度的两倍,这代表多功能水泥是可行的,也有机会量产。深圳市威锴众润建材科技有限公司VICZOOM,立足世界装饰混凝土工艺技术前沿。联合相关高校和研究院专家和科研精英。开发研制出具有自主知识产权的装饰混凝土造型模具、成像膜等核心产品。打破了装饰混凝土核心材料被国外公司垄断的尴尬局面。将博大精深的的中国传统文化和现代建筑装饰之间架起一座沟通的桥梁。
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