硅灰与粉煤灰协同增强硫化锡-膨胀石墨水泥基复合材料的热电性能与力学性能研究

针对水泥基热电材料Seebeck系数低、导电性差的问题，研究人员创新性地将固体废弃物硅灰(SF)和粉煤灰(FA)掺入SnS/CF/EG水泥基复合材料。通过调控界面缺陷和基体孔隙率，使2.0 wt% FA样品电导率达2.17 S/cm，功率因子(PF)提升2.8倍；4.0 wt% SF样品ZT值达2.4×10-5，实现PF与ZT值同步优化，为固废资源化利用和绿色建材开发提供新思路。

　　

在全球能源危机与环境恶化的双重压力下，如何将城市中无处不在的废热（如建筑表面、地下管道和工业流程产生的余热）转化为可用电能，成为可持续发展领域的重要课题。热电材料（Thermoelectric materials）能够实现热能与电能的直接转换，但传统材料如PbTe和Bi₂Te₃因成本高、含毒性元素而难以大规模应用。水泥基热电材料虽成本低廉且适合建筑集成，却长期受困于"三低"困境：低电导率（σ）、低Seebeck系数（S）和低品质因数（ZT值）。更棘手的是，这些性能参数往往相互制约——提高导电性通常会降低Seebeck系数，而优化ZT值需要同时兼顾电导率与热导率（k）的平衡。

针对这一难题，陕西某高校的研究团队独辟蹊径，将目光投向两类工业固废——硅灰（Silica fume, SF）和粉煤灰（Fly ash, FA）。他们在《Materials Science and Engineering: B》发表的研究中，创新性地将这两种废弃物与硫化锡（SnS）、碳纤维（CF）和膨胀石墨（EG）复合，开发出具有协同增强效应的新型水泥基热电材料。研究发现，SF和FA不仅能降低材料热导率，其含有的硅铝氧化物还能通过界面修饰显著提升载流子迁移率。这种"变废为宝"的策略既解决了固废处置难题，又为提升热电性能提供了新路径。

研究团队采用扫描电镜（SEM）分析材料形貌，通过四探针法测量电导率，利用温差发电测试系统测定Seebeck系数，并结合激光闪射法测量热扩散系数。通过系统调控SF和FA的掺量比例（0-4.0 wt%），建立了组分-结构-性能的定量关系。

材料表征结果
SEM显示SnS、SF和FA颗粒主要呈球形分布，粒径分别集中在0-80 μm、0-70 μm和0-30 μm范围。FA的玻璃微珠结构能有效填充水泥孔隙，而SF的纳米级颗粒可在界面处形成导电网络。XRD证实复合材料中成功形成了SnS晶相，且固废添加未引入杂质峰。

热电性能突破
当FA掺量达2.0 wt%时，材料获得最佳平衡性能：电导率2.17 S/cm，Seebeck系数33.75 μV/°C，功率因子（PF= S²σ）提升至0.2 μW·m^-1·K^-2，较基准样提高2.8倍。而4.0 wt% SF样品展现出更优异的综合性能：电导率4.68 S/cm，Seebeck系数30.71 μV/°C，PF值0.42 μW·m^-1·K^-2，ZT值达2.4×10^-5，分别实现6倍和4.8倍的性能提升。这种差异源于SF的纳米颗粒更有利于构建三维导电通路。

机理分析
SnS的引入增加了水泥基体中的界面密度，通过声子散射有效降低热导率。FA的微珠结构和SF的纳米颗粒协同作用：一方面填充孔隙减少载流子散射，另一方面其含有的SiO₂和Al₂O₃可修饰界面能级，促进载流子隧穿。密度泛函理论计算表明，SF引入的硅氧四面体[SiO₄]可形成电荷传输通道，而FA中的铝氧键[AlO₆]能产生局域态密度，共同优化载流子有效质量。

力学性能增强
与纯水泥相比，含4.0 wt% SF的复合材料抗压强度提升18.7%，这得益于纳米颗粒的填充效应和火山灰反应生成的C-S-H凝胶。FA样品则表现出更好的抗裂性，其球形颗粒可有效阻止裂纹扩展。

该研究开创了固废协同增强热电水泥的新范式。通过精准调控SF和FA的掺入比例，首次在水泥基材料中实现了PF和ZT值的同步提升。这不仅为建筑一体化热电系统提供了材料基础，更探索出一条"以废治废"的可持续发展路径——用工业固废解决热电材料的性能瓶颈，同时降低生产成本和环境负荷。研究揭示的界面修饰机制为后续设计多尺度复合热电材料提供了理论指导，而建立的材料制备工艺可直接应用于建筑废热回收、道路融雪等实际场景。随着城镇化的推进，这种兼具能源转换与结构功能的智能建材，有望在"海绵城市"和"零碳建筑"建设中发挥重要作用。