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导电沥青混凝土石墨烯电极的制备与应用

刘鹏  
【摘要】:导电沥青混凝土融冰化雪作为一种新型的道路除冰雪方法具有融雪效率高,无污染等优点具有广阔的应用前景。但是由于目前导电沥青混凝土所用电极体积大,耐腐蚀性差等缺点,必须将其埋设在路面面层内部,导致导电沥青混凝土升温速率低,融冰雪过程中能量损耗大等缺点。本文将采用石墨烯作为导电沥青混凝土用电极材料,利用石墨烯良好的导电性、力学性能和耐腐蚀性能,开发一种设置在道路表面层、布设合理、使用性能良好的导电沥青混凝土电极方案,从而达到提高导电沥青混凝土的热效率,降低热量传递过程中的能量损耗的目的。考虑到道路沥青混凝土电极大面积、低成本的特点,采用氧化还原法制备石墨烯薄膜。用改进的Hummers法制备氧化石墨烯溶液,用涂覆法制备氧化石墨烯膜,采用化学还原法和热还原法对氧化石墨烯膜进行还原得到石墨烯膜。研究还原过程中膜的厚度、反应时间及还原温度对石墨烯膜力学性能和电学性能的影响规律。对两种还原方式进行对比,确定石墨烯电极材料的制备工艺。采用仿真模拟结合室内升温实验的方法确定电极的布设方案。用多物理场耦合仿真模拟软件COMSOL Multiphysics建立石墨烯电极导电沥青混凝土电热模型;制备石墨烯电极,通过导电沥青混凝土板室内升温实验与仿真模拟结果进行对比,验证了模型的可靠性;研究电极的宽度、间距、厚度等参数对混凝土热效率的影响,并结合经济性指标确定电极的布设方案;对不同电极方式进行对比,验证石墨烯电极方案具有较高的升温速率。根据石墨烯电极所处的路面层位和工作环境,考虑荷载、温度、冻融循环等因素对电极工作性能的影响,采用室内实验的方法验证电极的路用性能。设置环氧树脂保护层保证电极的工作性能,并验证其可行性;通过研究荷载、冻融循环、高温荷载耦合作用对在沥青混凝土表面电极导电性能的影响规律,验证了电极方案的路用性能。本文提出了一种新型的导电沥青混凝土用石墨烯电极方案,对石墨烯电极的材料制备、布设方案确定、路用性能进行了系统的研究。为石墨烯电极方案的应用提供了技术储备,也扩展了石墨烯这种新材料的应用领域。


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