Advances in carbon fiber-based solar powered interfacial water evaporation devices
-
摘要:
碳纤维是三大高性能纤维之一，具有较强的光热及电热转化性能，可以高效地将太阳光和电能转化为热能。目前对于碳纤维的应用还大部分基于低密度、高强高模的优势特性上，为了促进碳纤维在界面水蒸发的应用，本文从碳纤维光热及光电耦合两个方面来综述目前碳纤维在界面水蒸发的研究进展，针对碳纤维光滑致密的表面结构及低表面能等缺点，总结其解决方法及在水通道、仿生结构、多级结构、掺杂其他光热材料和回收碳纤维的应用几个方面来讨论碳纤维界面蒸发器的发展，并对将来碳纤维在界面蒸发中的应用提出展望。
Abstract:Carbon fiber is a high-performance material known for its strong photothermal and electrothermal conversion properties, enabling efficient conversion of sunlight and electrical energy into thermal energy. Despite its current utilization primarily based on its low density, high strength, and modulus, this paper reviews the ongoing research on enhancing the application of carbon fiber in interfacial water evaporation. The review focuses on two key aspects: Carbon fiber's photothermal properties and optoelectronic coupling. It addresses the challenges posed by carbon fiber's smooth, dense surface and low surface energy, proposing various solutions. Furthermore, it explores advancements in developing carbon fiber interfacial evaporators through strategies such as bionic structures, multi-stage designs, incorporation of other photothermal materials, and carbon fiber recycling. Finally, the paper outlines future prospects for leveraging carbon fibers in interfacial evaporation applications.
-
我国道路桥梁路面铺装层大多采用沥青混凝土，沥青混凝土抗拉变形能力差，在车辆荷载作用下，混凝土路桥面出现破损，一旦混凝土开裂后，裂缝迅速恶化，出现网裂等病害。考虑混凝土路桥面铺装层受力特点、损坏原因及尽可能开放交通要求，需采用一种与原路桥面材料强度等级相同或更高、高延性及快硬性水泥基材料进行路桥面修补。
磷酸镁水泥(Magnesium phosphate cement，MPC) 是利用氧化镁和可溶性磷酸盐酸碱中和反应制备而成[1]。MPC显著特点是凝结硬化快、早期强度发展快、体积稳定性好、养护简单(在空气中养护)等，为控制MPC凝结时间，需要掺加缓凝剂[2]。MPC可广泛应用于工程快速修补领域。
Zhang等[3]采用氧化镁(M)、磷酸二氢钾(P)、膨润土、缓凝剂硼砂、粉煤灰、水玻璃和水制备MPC，当M/P=4、粉煤灰掺量30%时，MPC凝结时间290~315 s，养护3 d的 MPC抗压强度为0.6 MPa左右。Haque等[4]采用氧化镁、磷酸二氢氨、铝土矿、硼砂、粉煤灰、河砂和水制备MPC砂浆，掺入粉煤灰会削弱砂浆抗压强度。水养条件下MPC抗压强度均降低，粉煤灰可以改善水稳定性[4-5]。已有研究为MPC制备提供基础。
MPC呈脆性特点，容易开裂。李磊等[6]发现掺加钢纤维可以改善MPC试件弯曲韧性。Fang等[7-8]研究发现加入玻璃纤维可以改善MPC弯曲挠度变形能力。已有研究中MPC拉伸变形能力较低或不涉及拉伸变形能力，无法高效对开裂混凝土进行修补。
高延性水泥基复合材料(HDCC)在轴心拉伸荷载下具有多缝开裂特点，28 d极限伸长率不低于0.5%，平均裂缝宽度不大于200 μm[9]。学者[10-15]采用硅酸盐水泥、粉煤灰、日产可乐丽聚乙烯醇(PVA)纤维和精细石英砂等制备HDCC，日产可乐丽PVA纤维和精细石英砂的成本高，无法在工程中推广应用。学者[16-19]采用河砂替换精细石英砂，采用国产PVA纤维替换日产可乐丽PVA纤维，制备低成本HDCC，养护28 d后HDCC抗压强度不低于40 MPa，极限延伸率0.5%~3.0%，平均裂缝宽度60~150 μm。采用精细石英砂的颗粒粒径较小，有助于纤维均匀分散，日产可乐丽PVA纤维表面采用油剂处理达到疏水效果，可以使纤维从基体中拔出而不是拔断，有助于提高材料高延性。采用河砂替换石英砂、国产PVA纤维替代日产PVA纤维，通过性能优化设计可突破低成本且高延性的关键问题。但目前HDCC采用硅酸盐水泥作为胶凝材料，养护龄期是28 d，无法达到快硬效果。
Feng等[20-21]采用氧化镁、磷酸二氢钾和硼砂制备MPC水泥，掺加粉煤灰、硅灰、精细石英砂、日产PVA纤维和水制备高延性磷酸镁水泥基快速修补材料(HD-MPCRRM)，养护7 d后材料抗压强度30~45 MPa，极限延伸率为0.5%~4%。材料养护7 d，龄期较长，且材料制备成本高，无法在工程中推广应用。
本文以MPC为胶凝材料，掺加粉煤灰、河砂、国产PVA纤维、减水剂、早强剂和水制备HD-MPCRRM。首先，通过MPC凝结时间、材料抗压和抗折强度、立方体抗压强度和拉伸性能测试进行分析，优选HD-MPCRRM满足立方体抗压强度≥40 MPa、极限延伸率≥1.0%和平均裂缝宽度≤200 μm。其次，采用微观手段分析MPC水化产物和微观形貌，揭示HD-MPCRRM力学性能机制。
1. 试验方案
1.1 原材料
试验采用磷酸镁水泥和粉煤灰作为胶凝材料(Binder，B)。氧化镁(MgO，简写为M) 为辽宁大石桥生产的淡黄色粉末，化学组成如表1所示。
表 1 氧化镁的化学成分组成Table 1. Chemical composition of magnesium oxideComposition Content/wt% MgO 91.79 SiO2 3.10 Al2O3 0.86 Fe2O3 1.27 CaO 1.51 TiO2 0.01 SO3 0.22 磷酸二氢铵(NH4H2PO4，简写为P)采用什邡市康龙化工有限责任公司生产的工业级白色晶体。
为减缓磷酸镁水泥的凝结时间，采用福晨(天津)化学试剂有限公司生产的硼砂(Na2B4O7·10H2O，简写为BO)作为缓凝剂。
粉煤灰(Fly ash，FA)采用II级， 由巩义市铂润耐火材料有限公司提供。
减水剂采用粉末固体状聚羧酸减水剂(Polycarboxylate superplasticizer，PS)，由上海臣启化工科技有限公司提供。
为提高材料早期强度，采用3种早强剂(Early strength agent，ESA)，分别为国药集团化学试剂有限公司生产的碳酸锂 (Lithium carbonate，Li)和无水硫酸钠 (Anhydrous sodium sulfate，ASS)、天津市华盛化学试剂有限公司生产的甲酸钙 (Calcium formate，CF)。
细骨料采用太原市河砂(River sand，RS)，最大粒径为1.18 mm，细度模数是1.0。
纤维采用永安市宝华林实业发展有限公司生产的PVA纤维，长度12 mm，直径39 μm，弹性模量30 GPa，极限抗拉强度不小于
1250 MPa，极限伸长率为5%~8%[17]。拌合水为自来水(Water，W)。
1.2 试件制作流程
试件制备流程如图1所示：(1) 加入称好的M、P、BO、FA、PS、ESA、RS加入搅拌机，慢速搅拌2~3 min；(2) 加W，快速搅拌3~4 min；(3) 加入纤维，快速搅拌2~3 min。试件静置在空气中[22-24]，养护6 h后拆模，养护温度为(20±2)℃、湿度为(30±2)%，再进行宏观和微观性能试验。
![]()
图 1 试件制备流程Figure 1. Preparation process of specimenM—MgO; P—Ammonium dihydrogen phosphate; BO—Borax; FA—Fly ash; RS—River sand; PS—Polycarboxylate superplasticizer; Li—Lithium carbonate; W—Water1.3 HD-MPCRRM性能优化思路
MPC水化反应是M和P的酸碱中和反应。为实现HD-MPCRRM研制目标，需优化材料组分。在达到HD-MPCRRM研制目标前，性能优化过程中制备的材料称为“MPC水泥基复合材料”。优化流程如下：
(1)以凝结时间≥10 min为目标，优化M、P、BO和FA比例，分别以M/P、硼砂掺量和粉煤灰掺量为因素，分析其对MPC水泥基复合材料凝结时间的影响，配合比设计如表2所示；
表 2 以凝结时间≥10 min为目标的磷酸镁水泥(MPC)基复合材料配合比设计(质量比)Table 2. Mixture design of magnesium phosphate cement (MPC) cementitious composite material with purpose of setting time more than 10 min (By mass ratio)Design factor W/B M/P BO/M/% FA/B/% M/P 0.3 2/3/4/5/6 25 0 0.3 2/3/4/5/6 30 0 Content of BO 0.3 2 15/20/25/30/35 0 0.3 3 15/20/25/30/35 0 0.3 4 10/15/20/25/30/35/40 0 0.3 5 15/20/25/30/35/40 0 0.3 6 15/20/25/30/35/40 0 Content of FA 0.3 2 25 0/20/30/40/50/60 0.3 2 30 0/20/30/40/50/60 0.3 2 35 0/20/30/40/50/60 0.3 3 30 0/20/30/40/50/60 0.3 3 35 0/20/30/40/50/60 0.3 4 40 0/20/30/40/50/60 Notes: W/B—Water-binder ratio; M/P—Mass ratio of magnesium oxide (M) to ammonium dihydrogen phosphate (P); BO/M—Mass ratio of borax to magnesium oxide; FA/B—Mass ratio of fly ash to binder. (2)采用40 mm×40 mm×160 mm试件进行抗折抗压强度，以立方体抗压强度≥40 MPa为目标，优化M、P、BO、FA、RS、PS、ESA和W材料组分，通过分析粉煤灰掺量、养护龄期、水胶比、早强剂种类及掺量对MPC水泥基复合材料抗折强度和抗压强度的影响，初步优选配合比，配合比设计如表3所示。
(3)采用100 mm×100 mm×100 mm标准试件进行抗压强度测试，以立方体抗压强度≥40 MPa为目标，通过分析砂胶比和水胶比对MPC水泥基复合材料立方体抗压强度的影响，继续优化材料配合比，配合比设计如表4所示。
(4)以极限延伸率≥1%和平均裂缝宽度≤200 μm为目标，最终优选HD-MPCRRM配合比。
表 3 MPC水泥基复合材料初步配合比设计(质量比)Table 3. Preliminary mixture design of MPC cementitious composite material (By mass ratio)Design factor W/B M/P BO/M/% FA/B/% RS/B ESA/B/% PVA fiber/% Content of FA 0.3 2 25 0/30/40/50/60 0.3 — 2 0.3 3 30 0/30/40/50/60 0.3 — 2 0.3 4 40 0/30/40/50/60 0.3 — 2 Curing age 0.3 2 25 20 0.3 — 2 W/B 0.27/0.28/0.29/0.3/0.31 2 25 20 0.3 — 2 ESA 0.29 2 25 20 0.3 Li 0/0.5/1/1.5/2/3 2 0.29 2 25 20 0.3 CF 0/0.5/1/1.5/2/3 2 0.29 2 25 20 0.3 ASS 0/0.5/1/1.5/2/3 2 Notes: Polyvinyl alcohol (PVA) fiber is added by volume fraction; RS/B—Mass ratio of river sand to binder; ESA/B—Mass ratio of early strength agent to binder; CF—Calcium formate; ASS—Anhydrous sodium sulfate. 表 4 MPC水泥基复合材料配合比优化设计(质量比)Table 4. Optimization mixture design of MPC cementitious composite material (By mass ratio)Design factor W/B M/P BO/M/% FA/B/% RS/B Li/B/% PS/B/% PVA fiber/% RS/B 0.2 2 25 20 0.8/0.9/1.0/1.1/1.2 3 1.1 2 W/B 0.16/0.18/0.2/0.22/0.24 2 25 20 1.0 3 1.1 2 0.17/0.18/0.2/0.22/0.24 3 30 20 0.3 3 1.1 2 Notes: Li/B is the mass ratio of lithium carbonate to binder; PS/B is the mass ratio of polycarboxylate superplasticizer to binder. 1.4 试验方法
1.4.1 凝结时间
MPC凝结时间测试参考《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》(GB/T 1346—2011)[25]，采用维卡仪测定，搅拌时间要控制在3 min之内，每隔30 s测一次，临近初凝时每隔15 s测一次。
由于MPC初凝和终凝时间间隔较短，试验中只测定初凝时间。
1.4.2 抗折和抗压强度
MPC水泥基复合材料抗折和抗压强度测试参考《水泥胶砂强度检验方法(IOS法)》(GB/T 17671—2021)[26]，试件尺寸为40 mm×40 mm×160 mm，每组配合比所用试件数量为3块。抗压和抗折强度采用无锡市德佳意试验仪器有限公司生产的DYE-300S全自动恒应力抗折抗压试验机，抗压强度设置加载速度2.4 kN/s，抗折强度设置加载速度50 N/s。
1.4.3 立方体抗压强度
MPC水泥基复合材料立方体抗压强度测试参考《高延性纤维增强水泥基复合材料力学性能试验方法》(JC/T 2461—2018)[9]，试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，每组配合比所用试件数量为3块。立方体抗压强度采用浙江土工仪器制造有限公司和上海土工公路仪器有限公司生产的STYE—3000C型电脑全自动混凝土压力试验机测试，加载速度为0.6 MPa/s。
1.4.4 拉伸性能
试件拉伸性能测试参照《高延性纤维增强水泥基复合材料力学性能试验方法》(JC/T 2461—2018)[9]进行，试件尺寸如图2(a)所示，每组配合比所用试件数量为3块；在试件中间区域贴应变片并架设位移计(LVDT)分别来监测拉伸应变和位移，如图2(b)所示。采用拉伸试验机进行测试，设置位移加载速率为0.002 mm/s，通过南京晨之熙测控技术有限公司生产的DH3816N型号静态应变仪来采集试验过程中应变片和位移计的读数。
![]()
图 2 拉伸性能试验装置图LVDT—Linear variable differential transformerFigure 2. Test device of tensile property1.4.5 微观分析
采用MPC净浆试样进行微观分析，通过XRD分析水化产物，采用SEM分析水化产物的微观形貌。
制备MPC净浆试样，养护至规定龄期取出后放置无水乙醇中浸泡2天终止水化。将终止水化后的MPC样品在上海索谱仪器有限公司生产的DZF-6050型真空干燥箱45℃环境中干燥1 d后，用研钵磨细通过74 μm筛，取筛下MPC试样进行XRD分析，通过XRD测定水化产物，XRD扫描角度为5°~65°，步长为0.02°，管电压为40 kV，管电流为40 mA。
采用SEM对MPC样品测试前，首先对试样进行喷金处理，扫描电压为15 kV。
2. 结果与讨论
2.1 MPC净浆的凝结时间
2.1.1 M/P对MPC凝结时间的影响
根据表1所示配合比制备MPC，分析M/P对MPC凝结时间的影响，试验结果如图3所示。在M/P为2~6时，随着M/P数值增加，MPC凝结时间均呈现减小趋势；M/P由2增大到4时，曲线下降斜率较大，凝结时间降低趋势明显；M/P由4增大到6时，曲线下降斜率减小，凝结时间降低速度减缓。
磷酸盐在水中的溶解度较大，20℃时100 g水中可溶解35.5 g磷酸盐，氧化镁较难溶于水，因此溶液中Mg2+含量会对凝结时间产生影响。当M/P较小时，溶液中Mg2+较少，参与水化的Mg2+较少，生成的水化产物包裹氧化镁颗粒，阻止其与磷酸盐反应，延缓凝结时间；当氧化镁含量相对增加时，溶液中Mg2+含量增加，参与水化反应的Mg2+增多，凝结时间降低[27]。
根据MPC凝结时间≥10 min优选原则，当BO/M=25%时，优选M/P=2；当BO/M=30%时，优选M/P=2和3。考虑到BO/M不同时，MPC凝结时间不同，需要分析在M/P数值不同时，BO/M对MPC凝结时间的影响。
2.1.2 硼砂掺量对MPC凝结时间的影响
根据表1所示配合比制备MPC，分析硼砂掺量对MPC凝结时间的影响，试验结果如图4所示。由图4可知，当M/P相同时，随着硼砂掺量的增加，MPC凝结时间延长。当M/P为2和3时，曲线上升斜率较大，硼砂对凝结时间的延缓效果显著；当M/P在4~6之间时，曲线上升斜率较小，硼砂对凝结时间的延缓效果一般。
硼砂电离出的B4O2−7与溶液中的Mg2+发生络合反应，在氧化镁表面形成保护膜，阻止其与磷酸二氢铵反应，以此达到缓凝效果，因此硼砂掺量增加和凝结时间成正比。硼砂掺量一定时，M/P越小，溶液中Mg2+越少，硼砂与氧化镁比例相对较高，硼砂起到的缓凝效果较好。
优选氧化镁、磷酸二氢铵和硼砂比例，根据MPC凝结时间≥10 min优选原则，优选结果为M/P=4，BO/M=40%；M/P=3，BO/M=30%和35%；M/P=2，BO/M=25%、30%和35%。
2.1.3 粉煤灰掺量对MPC凝结时间的影响
根据表1所示配合比制备MPC水泥基复合材料，研究粉煤灰对MPC凝结时间的影响，如图5所示。由图5(a)可知，当M/P=2时，随着粉煤灰掺量的增加，凝结时间逐渐增加。由图5(b)可知，当M/P=3时，随着粉煤灰掺量增加，凝结时间呈现降低-增加-降低的趋势；粉煤灰掺量为40%时的凝结时间最长，且略大于未掺粉煤灰时的凝结时间。由图5(c)可知，当M/P=4、BO/M=40%时，随着粉煤灰掺量增加，MPC凝结时间呈现先降低后增加的趋势；粉煤灰掺量由0%增大至20%，凝结时间降低；粉煤灰掺量为40%~60%时，MPC凝结时间大于未掺粉煤灰的MPC凝结时间。在MPC中加入粉煤灰，凝结时间均大于10 min。
粉煤灰对MPC凝结时间的影响主要有以下三方面：(1)在MPC体系中掺入粉煤灰，减少氧化镁含量，溶液中的Mg2+含量减少，硼砂含量相对增多，降低水化热，水化速度减慢，延长凝结时间；(2)粉煤灰与氧化镁颗粒对缓凝剂硼砂存在竞争吸附现象，减少氧化镁颗粒表面吸附的硼砂，使凝结时间减少；(3)粉煤灰本身可以吸附磷酸根离子，阻止鸟粪石的生成，延长MPC的凝结时间[28]。
基于凝结时间≥10 min目标，优选M/P=2，BO/M=25%、30%和35%；M/P=3，BO/M=30%和35%；M/P=4，BO/M=40%；粉煤灰掺量0%~60%。基于优选的配合比，掺加纤维、河砂、减水剂、早强剂，开展MPC水泥基复合材料抗折、抗压强度测试，对HD-MPCRRM配合比进行初步优选。
2.2 MPC水泥基复合材料抗折和抗压强度
2.2.1 粉煤灰掺量对MPC水泥基复合材料抗折和抗压强度的影响
根据表2所示配合比制备MPC水泥基复合材料，研究龄期为6 h时粉煤灰掺量对MPC水泥基复合材料力学性能的影响，如图6所示。
![]()
图 6 粉煤灰掺量对MPC水泥基复合材料抗压和抗折强度的影响Figure 6. Effect of fly ash content on the compressive and flexural strength of MPC cementitious composite material随着粉煤灰掺量的增加，MPC水泥基复合材料抗折和抗压强度基本呈减小趋势；当M/P=2，粉煤灰掺量为20%时，MPC水泥基复合材料抗折和抗压强度均大于未掺粉煤灰时材料强度。粉煤灰对材料力学性能有以下3种影响：(1)粉煤灰掺量增加时，有效水胶比降低，水化产物减少，导致MPC水泥基复合材料抗压和抗折强度降低；(2)粉煤灰替代部分氧化镁和磷酸二氢铵，水化产物鸟粪石(MgNH4PO4·6H2O)减少，降低MPC水泥基复合材料的抗压和抗折强度；(3)粉煤灰的微集料填充效应，降低孔隙率，使材料微观结构更密实，提高MPC水泥基复合材料抗压和抗折强度。
根据高延性混凝土微观设计理论[29-31]，掺加粉煤灰可以降低纤维与基体间的摩擦力和粘结力，使试件内纤维破坏模式趋向于“拔出型”而非“断裂型”，使纤维桥接应力增强，可以提高材料的极限延伸率。因此，为提高材料的延性，尽可能使用较大掺量粉煤灰，综合考虑材料抗压强度较高时，优选M/P=2~3，BO/M=25%，粉煤灰掺量20%进行材料性能优化。
2.2.2 养护龄期对MPC水泥基复合材料抗压和抗折强度的影响
根据表2所示配合比制备MPC水泥基复合材料，设置龄期为6 h、1 d、2 d、3 d、4 d，研究养护龄期对MPC水泥基复合材料力学性能的影响，如图7所示。
![]()
图 7 养护龄期对MPC水泥基复合材料抗压和抗折强度的影响Figure 7. Effect of curing age on the compressive and flexural strength of MPC cementitious composite material随着龄期的增加，MPC水泥基复合材料抗压和抗折强度逐渐增加；当龄期在6 h~1 d时，MPC水泥基复合材料抗压和抗折强度增长比较明显。随着养护龄期增加，胶凝材料水化程度增加，导致MPC水泥基复合材料抗压和抗折强度增加。随着MPC水化程度的增加，MPC水化产物包裹氧化镁和磷酸盐颗粒，导致水化进程减慢，因此MPC水泥1 d内水化速度最快，强度增加趋势比较明显。
2.2.3 水胶比对MPC水泥基复合材料抗压和抗折强度的影响
根据表2所示配合比制备MPC水泥基复合材料，测定养护龄期为6 h后，水胶比为0.27~0.31时复合材料的抗折和抗压强度，如图8所示。
![]()
图 8 水胶比对MPC水泥基复合材料抗压和抗折强度的影响Figure 8. Effect of water-binder ratio on the compressive and flexural strength of MPC cementitious composite material由图8可知，水胶比为0.27~0.31时，随着水胶比增加，MPC水泥基复合材料抗压和抗折强度先增加后降低，水胶比为0.29时MPC水泥基复合材料的抗压和抗折强度最高。当水胶比较小时，养护时间6 h内MPC水化速度较慢，导致MPC水泥基复合材料强度降低。当水胶比较高时，未参与反应的拌合水蒸发形成孔隙，降低结构密实度，导致MPC水泥基复合材料强度降低。当水胶比为0.29时，既可以降低材料孔隙率又使材料能够充分水化，提高MPC水泥基复合材料强度。
2.2.4 早强剂对MPC水泥基复合材料抗压和抗折强度的影响
根据表2所示配合比制备MPC水泥基复合材料，分析不同种类和掺量的早强剂对MPC水泥基复合材料养护6 h后抗压和抗折强度的影响，如图9所示。
![]()
图 9 早强剂(ESA)对MPC水泥基复合材料抗压和抗折强度的影响Figure 9. Effect of ESA content on the compressive and flexural strength of MPC cementitious composite material掺加3种早强剂均对MPC水泥基复合材料的抗压和抗折强度有一定程度的增强效果，在材料中掺加早强剂，会促进MPC水化进程，导致复合材料抗折、抗压强度增加，其中掺加3%碳酸锂对MPC水泥基复合材料强度的提升效果最为明显。
掺加早强剂可以有效提高MPC水泥基复合材料的抗压强度，但是二者强度均未达到40 MPa，为使MPC水泥基复合材料的立方体抗压强度达到40 MPa以上，选择适当延长养护龄期。研究分别掺加掺量为3%的碳酸锂和掺量为2%的甲酸钙在空气养护龄期为6 h、8 h、10 h时MPC水泥基复合材料的抗压和抗折强度，如图10所示。
![]()
图 10 养护龄期对掺加早强剂MPC水泥基复合材料抗压和抗折强度的影响Figure 10. Effect of curing age on the compressive and flexural strength of MPC cementitious composite material with ESA适当延长养护龄期均可以提高MPC水泥基复合材料的抗压和抗折强度，同一养护龄期，掺碳酸锂的复合材料抗压和抗折强度大于掺甲酸钙，并且掺碳酸锂养护龄期为10 h时抗压强度达到43.2 MPa，满足抗压强度要求，3种早强剂中优选碳酸锂，最佳掺量为3%。
2.3 MPC水泥基复合材料立方体抗压强度
2.3.1 砂胶比对MPC水泥基复合材料立方体抗压强度的影响
在初步优选配合比基础上，根据表3所示配合比制备MPC水泥基复合材料，设置砂胶比0.8~1.2[32-34]，空气养护龄期6 h，分析砂胶比对MPC水泥基复合材料立方体抗压强度的影响，如图11所示。
![]()
图 11 砂胶比对MPC水泥基复合材料立方体抗压强度的影响Figure 11. Effect of sand-binder ratio on the cubic compressive strength of MPC cementitious composite material随着砂胶比增大，MPC水泥基复合材料抗压强度呈现先增大后减小趋势，在设置的砂胶比范围内，最佳砂胶比为1.0。相对胶凝材料粒径而言，砂粒径大，当砂胶比较大时，较大粒径颗粒堆积，孔隙较多，而胶凝材料和水化产物无法均匀填充孔隙，导致结构密实度降低，MPC水泥基复合材料抗压强度降低。优选强度最大值时砂胶比，砂胶比优选为1.0。
2.3.2 水胶比对MPC水泥基复合材料立方体抗压强度的影响
根据表3所示配合比制备MPC水泥基复合材料，空气养护龄期6 h，分析水胶比对MPC水泥基复合材料立方体抗压强度的影响，如图12所示。
![]()
图 12 水胶比对MPC水泥基复合材料立方体抗压强度的影响Figure 12. Effect of water-binder ratio on the cubic compressive strength of MPC cementitious composite material由图12可知，随着水胶比增大，MPC水泥基复合材料抗压强度均呈现先增大后减小的趋势。M/P=3时MPC水泥基复合材料抗压强度大于M/P=2时材料抗压强度。M/P=3时，水胶比由0.17增大至0.18时，曲线斜率较大，抗压强度增加比较明显，抗压强度最大值为41.9 MPa。可能是由于水胶比为0.17时，复合材料流动性太小，成型效果不好，试件内部孔隙较多，导致强度表现不足，水胶比为0.18时材料水化较好，强度比较高。当水胶比超过0.18或者0.20时，除水化外的多余水分蒸发在试件内部留下孔隙，导致试件孔隙率增加，强度降低。
在设置的水胶比范围内，M/P=2试验组中MPC水泥基复合材料最佳水胶比为0.20，抗压强度为34.9 MPa；M/P=3试验组中最佳水胶比为0.18，此时抗压强度达到41.9 MPa，满足立方体抗压强度≥40 MPa。不同M/P试验组最佳水胶比不同，可能是由于MPC主要水化产物是NH4MgPO4·6H2O (鸟粪石)，制备MPC时一般都掺入过量的氧化镁作为微集料，增大M/P会减少磷酸盐的掺量，磷酸盐和氧化镁发生水化生成鸟粪石需要的用水量就会减少，理论用水量会随着M/P变化而变化。
考虑水胶比对MPC水泥基复合材料立方体抗压强度的影响，空气养护龄期6 h，根据立方体抗压强度≥40 MPa要求，优选M/P=3，BO/M=30%，水胶比0.18。
综上，优选配合比为：空气养护龄期6 h，优选水胶比0.18，减水剂掺量1.1%，砂胶比1.0，M/P=3，BO/M=30%，粉煤灰掺量为20%，碳酸锂3%，纤维体积掺量为2%。
2.4 MPC水泥基复合材料拉伸性能
基于MPC水泥基复合材料立方体抗压强度测试优选的配合比进行拉伸性能测试。MPC水泥基复合材料极限抗拉强度为6.1 MPa，极限延伸率为1.10%，平均裂缝宽度为117 μm，满足HD-MPCRRM研制目标。测试HD-MPCRRM拉伸应力-应变关系曲线如图13所示。
![]()
图 13 高延性磷酸镁水泥基快速修补材料(HD-MPCRRM)的拉伸应力-应变关系Figure 13. Tensile stress-strain relationship of high ductility magnesium phosphate cementitious rapid repair material (HD-MPCRRM)由图13可知，HD-MPCRRM材料拉伸应力-应变关系曲线表现出四阶段：弹性、塑性、应变硬化和应变软化阶段。
在加载初期，应力由基体承担，应力-应变呈线弹性关系；随着荷载增加，材料内部损伤逐渐增加，应力-应变关系曲线呈现塑性特点；待基体承担荷载超过自身强度后，基体开裂，曲线出现初裂点，应力下降，但由于纤维承担应力并通过桥联作用将应力传递给周围未开裂基体，试件可继续承载，应力呈现上升趋势，待基体开裂后，应力又降低，纤维发挥桥联作用等，在“基体开裂-纤维桥联作用-基体承载-基体开裂……”反复作用下，曲线呈现“应力上升-下降-上升……”抖动趋势，呈现应变硬化特点；待试件承载达到自身承载力后，承载力降低，裂缝变宽，拉伸变形增加，呈现应变软化特点。
2.5 MPC水化产物
采用XRD分析M/P、粉煤灰掺量和碳酸锂掺量对MPC净浆水化产物的影响，设计MPC净浆配合比如表5所示。
制备MPC样品后在空气中养护6 h，然后进行XRD测试，测试结果如图14所示。
不掺粉煤灰和碳酸锂的MPC主要水化产物是鸟粪石(MgNH4PO4·6H2O)；当M/P为2和3时，净浆中还有中间水化产物Schertelite，化学式(NH4)2Mg(HPO4)2·4H2O。除了鸟粪石，还有不参与水化反应的氧化镁。
表 5 MPC净浆配合比 (kg/m3)Table 5. Mixture of MPC pure paste (kg/m3)Specimen ID M P BO FA Li M2F0L0 633.3 316.7 158.3 0 0 M4F0L0 760 190 304 0 0 M3F0L0 712.5 237.5 213.75 0 0 M3F2L0 570 190 171 190 0 M3F3L0 498.75 166.25 149.6 285 0 M3F2L3 570 190 171 190 28.5 Notes: The specimen ID contains three parts, the first part is the mass ratio of magnesium oxide (M) to ammonium dihydrogen phosphate (P), the second part is the mass ratio of fly ash to binder, and the third part is the mass ratio of lithium carbonate to binder. Such as, M3F2L3 means the mass ratio of magnesium oxide (M) to ammonium dihydrogen phosphate (P) is 3, the mass ratio of fly ash to binder is 20%, and the mass ratio of lithium carbonate to binder is 3%. MPC水化产物类型跟M/P与硼砂掺量有关。当M/P较大时，Mg2+离子浓度高，有助于中间水化产物Schertelite转化为鸟粪石；当硼砂掺量增加时，硼砂减缓了MgO溶解，使Mg2+离子浓度较低，有利于Schertelite生成[2]。表5配合比中，MPC水化产物都有鸟粪石；此外M/P对水化产物类型的影响大于硼砂，因此当M/P=2时，MPC水化产物有明显的Schertelite，M/P=3时，MPC水化产物Schertelite含量少，M/P=4时，MPC水化产物基本无Schertelite。
由图14可知，掺加粉煤灰的MPC水化产物是鸟粪石，Schertelite衍射峰不明显，图中也能观察到氧化镁和二氧化硅。
文中不同配合比中胶凝材料总质量(氧化镁、磷酸盐和粉煤灰)是相同的，当掺入粉煤灰时，粉煤灰可以吸附磷酸根离子，使溶液中Mg2+离子浓度较高，有助于中间水化产物Schertelite转化为鸟粪石，因此在图14中Schertelite基本不明显。
粉煤灰中有二氧化硅，随着粉煤灰掺量的增加，鸟粪石和氧化镁的衍射峰强度降低，主要是由于粉煤灰取代部分氧化镁和磷酸二氢铵，使水化产物量减少，导致MPC水泥基复合材料抗压和抗折强度降低。因此需合理优选粉煤灰掺量。
掺加碳酸锂可以促进水化产物的快速生成，使在养护6 h时材料抗压和抗折强度提高。
2.6 MPC微观形貌
分析表4中不同M/P、粉煤灰掺量和碳酸锂掺量下MPC的微观形貌，如图15和图16所示。
未掺粉煤灰时不同M/P下MPC的微观形貌如图15所示。如图15(a)所示，当M/P=4时，MPC主要水化产物鸟粪石形貌以结晶度不好的板状和针片状为主，相互堆积在一起，中间有较多孔隙，导致结构不够密实，可能是由于硼砂掺量较多，延缓了MPC早期水化进程，导致MPC养护6 h时强度降低。
如图15(b)所示，当M/P=3时，MPC主要水化产物鸟粪石的形貌以板状为主，它们朝着一定的方向生长，密集地堆叠在一起，生成比较密实的结构。
如图15(c)所示，当M/P=2时，MPC主要水化产物鸟粪石形貌以片状为主，这些片状水化产物松散地交织在一起，使MPC结构疏松。综合分析，M/P=3时，MPC结构比较密实，MPC抗压和抗折强度较高。
当M/P=3时，分析粉煤灰掺量对MPC水化产物形貌的影响，如图16所示。
掺粉煤灰后MPC中可以明显观察到粉煤灰球状体。粉煤灰掺量为20%时，水化产物鸟粪石将氧化镁和粉煤灰胶结一起，使MPC结构致密；当粉煤灰掺量为30%时，可以观察到更多球状体粉煤灰，粉煤灰替代磷酸镁水泥较多，使鸟粪石水化产物减少，较少水化产物包裹氧化镁和粉煤灰，使MPC基体结构疏松，导致MPC抗压强度较低。因此，相比粉煤灰替代率30%，粉煤灰替代率为20%时材料的抗压强度较高。
3. 结 论
(1) 磷酸镁水泥(MPC)凝结时间10 min内主要与氧化镁(M)/磷酸二氢铵(P)、硼砂掺量有关。M/P (质量比)增大时，参与水化反应的Mg2+增多，凝结时间越短。硼砂掺量增加时，硼砂中B4O2−7与MPC溶液中Mg2+发生络合反应，延缓了MPC酸碱中和反应。MPC体系中粉煤灰的掺入，降低氧化镁和磷酸盐掺量及粉煤灰吸附磷酸根离子，导致MPC水化速度减缓，进而延长MPC凝结时间。
(2) 粉煤灰掺量为0%~60%时，MPC水泥基复合材料的抗压和抗折强度基本随着粉煤灰掺量增大而减小，当M/P=2，粉煤灰掺量为20%时材料的抗压和抗折强度最大。空气养护龄期在6 h~1 d范围内MPC水泥基复合材料抗压和抗折强度增加趋势最为明显，MPC水化速度在早期最快。调整水胶比可以改善MPC水泥基复合材料的抗压和抗折强度。碳酸锂可以加速MPC水化进程，水化产物增加，提高复合材料早期强度，掺加3%碳酸锂作为早强剂对MPC水泥基复合材料的抗压和抗折强度的增强效果较好。
(3) 通过优化砂胶比和水胶比可以提高MPC水泥基复合材料立方体抗压强度。砂胶比0.8~1.2，随着砂胶比的增大，MPC水泥基复合材料立方体抗压强度呈现先增大后减小的趋势，最佳砂胶比为1.0，MPC水泥基复合材料结构致密，抗压强度较高。水胶比0.16~0.24，随着水胶比的增大，MPC水泥基复合材料立方体抗压强度均呈现先增大后减小的趋势，最佳水胶比0.18，材料结构较密实，导致抗压强度较大。通过性能优化设计高延性磷酸镁水泥基快速修补材料(HD-MPCRRM)立方体抗压强度为41.9 MPa，极限延伸率达到1.10%，平均裂缝宽度为117 μm。
(4) MPC水化产物与Mg2+离子浓度相关。不同配合比中硼砂掺量相差较小时，较低M/P的MPC体系中Mg2+离子浓度降低，水化产物有鸟粪石和中间产物Schertelite，随着M/P增加，Schertelite转变为鸟粪石。粉煤灰吸附磷酸根离子，Mg2+离子浓度增加，导致MPC体系中水化产物是鸟粪石。碳酸锂促进MPC水化反应，导致MPC体系水化产物是鸟粪石。
-
![]()
图 4 碳纤维表面改性示意图：(a)原始碳纤维；((b), (c))水热处理改性的碳纤维；(d)来源于葡萄糖的不溶性互键芳香族两亲性大分子[50]
Figure 4. Schematic diagram of surface modification of carbon fibers: (a) Original carbon fibers; ((b), (c)) Carbon fibers modified by hydrothermal treatment; (d) Insoluble aromatic amphiphilic macromolecules derived from glucose[50]
![]()
![]()
图 6 碳纤维上生长其他光热材料：(a) Cu 纳米粒子(NPs)/碳纤维 (CFs)的制备示意图[52]；(b) CFs/碳纳米管(CNTs)的制备示意图[53]
PANI—Polyaniline
Figure 6. Growth of other photothermal materials on carbon fibers: (a) Preparation schematic diagram of Cu nanoparticles (NPs)/carbon fiber (CFs)[52]; (b) Preparation schematic diagram of CFs/carbon nanotubes (CNTs)[53]
![]()
图 8 碳纤维膜(CFM)蒸发器：(a) 聚偏二氟乙烯/多壁碳纳米管@聚多巴胺碳纤维/聚苯硫化物(PVDF/MWCNTs@PDA-CF/PPS)复合膜的制备[54]；(b) CFM上PDA镀膜工艺示意图[55]
Figure 8. Carbon fiber membrane (CFM) evaporator: (a) Preparation of polyvinylidene fluoride/multiwalled carbon nanotubes@polydopamine carbon fiber/polystyrene sulfide (PVDF/MWCNTs@PDA-CF/PPS) composite film[54]; (b) Schematic diagram of PDA coating process on CFM[55]
![]()
表 1 不同碳纤维基太阳能蒸发器对比
Table 1 Comparison of different carbon fiber based solar evaporators
处理方法 蒸发速率/
(kg·m−2·h−1)蒸发效率/% 水传输通道 类型 是否焦
耳加热电压
大小参考
文献通过对改性碳纤维进行表面蚀刻，然后通过三层碳纤维织物、两层非织造布和一层隔热层组成太阳能蒸发器 3.39 93.41~96.69 涤纶和棉混纺的
非织造布输送水光热 否 − [48] 受荷叶的启发，设计可调水供应的 3D碳纤维棉基锥体蒸发器 3.27 194.40 棉棒输送水 光热 否 − [11] 通过原位生长将碳纳米管长在碳纤维上 1.40 − 直接置于水面 光热 否 − [53] 由疏水性聚偏氟乙烯(PVDF)/多壁碳纳米管(MWCNTs)层和具有亲水性三维梯度结构的聚多巴胺(PDA)改性
碳纤维 (CF)/聚苯硫化物(PPS)纤维基板组成的自浮太阳能蒸发膜1.24 79.20 PDA改性CF/PPS亲水性纤维输送水 光热 否 − [54] 采用PDA对具有良好光吸收性的疏水性工业级碳膜(CFM)进行表面改性，用于建造无盐分积累的高效悬挂式蒸发器 1.79 92.60 改性碳纤维织物 光热 否 − [55] 通过编织法制备碳纤维/天丝复合编织纱(CBY)，并制备成驱蚊香状织物 1.84，光热； 2.97，光电协同 88 亲水性天丝纤维
输送水光电协同 是 3 V [65] 制备沸石-壳聚糖-TiO2@聚吡咯（PPy）气凝胶(ZCTP)，并利用碳纤维加热丝电驱动 1.66，光热； 11.7，光电协同 − 气凝胶内部垂直排列多孔结构输送水 光电协同 是 5 V [63] 使用疏水性碳纤维布 (CC) 涂有金属有机
框架 (MOF) 衍生的超亲水碳膜，并弯曲成
拱形结构3.21，光热；
5.5，光电协同− 亲水性碳膜输送水 光电协同 是 5 V [66] 
下载: 导出CSV
-
[1] GAO S W, DONG X L, HUANG J Y, et al. Bioinspired soot-deposited janus fabrics for sustainable solar steam generation with salt-rejection[J]. Global Challenges, 2019, 3(8): 1800117. DOI: 10.1002/gch2.201800117
[2] LI G P, LU L. Modeling and performance analysis of a fully solar-powered stand-alone sweeping gas membrane distillation desalination system for island and coastal households[J]. Energy Conversion and Management, 2020, 205: 112375. DOI: 10.1016/j.enconman.2019.112375
[3] MENG X Y, XU W L, LI Z H, et al. Coupling of hierarchical Al2O3/TiO2, nanofibers into 3D photothermal aerogels toward simultaneous water evaporation and purification[J]. Advanced Fiber Materials, 2020, 2(2): 93-104. DOI: 10.1007/s42765-020-00029-9
[4] JANG H, CHOI J, LEE H, et al. Corrugated wood fabricated using laser-induced graphitization for salt-resistant solar steam generation[J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2020, 12(27): 30320-30327.
[5] HUANG C H, HUANG J X, CHIAO Y H, et al. Tailoring of a piezo-photo-thermal solar evaporator for simultaneous steam and power generation[J]. Advanced Functional Materials, 2021, 31(17): 2010422. DOI: 10.1002/adfm.202010422
[6] XU K, WANG C, LI Z, et al. Salt mitigation strategies of solar-driven interfacial desalination[J]. Advanced Functional Materials, 2021, 31(8): 2007855. DOI: 10.1002/adfm.202007855
[7] GENG Y, SUN W, YING P, et al. Bioinspired fractal design of waste biomass-derived solar-thermal materials for highly efficient solar evaporation[J]. Advanced Functional Materials, 2021, 31(3): 2007648. DOI: 10.1002/adfm.202007648
[8] TUFA R A, CURCIO E, BRAUNS E, et al. Membrane distillation and reverse electrodialysis for near-zero liquid discharge and low energy seawater desalination[J]. Journal of Membrane Science, 2015, 496: 325-333. DOI: 10.1016/j.memsci.2015.09.008
[9] DONG X Y, SI Y, CHEN C J, et al. Reed leaves inspired silica nanofibrous aerogels with parallel-arranged vessels for saltresistant solar desalination[J]. ACS Nano, 2021, 15(7): 12256-12266. DOI: 10.1021/acsnano.1c04035
[10] BIAN Y, TANG K, TIAN L Y, et al. Sustainable solar evaporation while salt accumulation[J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2021, 13(4): 4935-4942.
[11] BU Y M, ZHOU Y H, LEI W W, et al. A bioinspired 3D solar evaporator with balanced water supply and evaporation for highly efficient photothermal steam generation[J]. Journal of Materials Chemistry A, 2022, 10(6): 2856-2866. DOI: 10.1039/D1TA09288J
[12] LI T Z, XU X T, SHENG X R, et al. Solar-powered sustainable water production: State-of-the-art technologies for sunlight-energy-water nexus[J]. ACS Nano, 2021, 15(8): 12535-12566. DOI: 10.1021/acsnano.1c01590
[13] ZHANG Y X, XIONG T, NANDAKUMAR D K, et al. Structure architecting for salt rejecting solar interfacial desalination to achieve high-performance evaporation with in situ energy generation[J]. Advanced Science, 2020, 7(9): 1903478. DOI: 10.1002/advs.201903478
[14] LIU S, HUANG C L, LUO X, et al. Performance optimization of bi-layer solar steam generation system through tuning porosity of bottom layer[J]. Applied Energy, 2019, 239: 504-513. DOI: 10.1016/j.apenergy.2019.01.254
[15] BAI B L, YANG X H, TIAN R, et al. High-efficiency solar steam generation based on blue brick-graphene inverted cone evaporator[J]. Applied Thermal Engineering, 2019, 163: 114379. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2019.114379
[16] ZHANG X C, WANG X N, WU W D, et al. Self-floating monodisperse microparticles with a nano-engineered surface composition and structure for highly efficient solar-driven water evaporation[J]. Journal of Materials Chemistry A, 2019, 7(12): 6963-6971. DOI: 10.1039/C8TA12290C
[17] FAN Y K, BAI W, MU P, et al. Conductively monolithic polypyrrole 3D porous architecture with micron-sized channels as superior salt-resistant solar steam generators[J]. Solar Energy Materials and Solar Cells, 2020, 206: 110347. DOI: 10.1016/j.solmat.2019.110347
[18] SHI Y, LI R Y, JIN Y, et al. A 3D photothermal structure toward improved energy efficiency in solar steam generation[J]. Joule, 2018, 2(6): 1171-1186. DOI: 10.1016/j.joule.2018.03.013
[19] CHEN H, WU S L, WANG H L, et al. Photothermal devices for sustainable uses beyond desalination[J]. Advanced Energy and Sustainability Research, 2021, 2(3): 2000056. DOI: 10.1002/aesr.202000056
[20] XIE Z J, DUO Y H, LIN Z T, et al. The rise of 2D photothermal materials beyond graphene for clean water production[J]. Advanced Science, 2020, 7(5): 1902236. DOI: 10.1002/advs.201902236
[21] CAO S S, JIANG Q S, WU X H, et al. Advances in solar evaporator materials for freshwater generation[J]. Journal of Materials Chemistry A, 2019, 7(42): 24092-24123. DOI: 10.1039/C9TA06034K
[22] REN P, LI J, ZHANG X, et al. Highly efficient solar water evaporation of TiO2@TiN hyperbranched nanowires-carbonized wood hierarchical photothermal conversion material[J]. Materials Today Energy, 2020, 18: 100546. DOI: 10.1016/j.mtener.2020.100546
[23] ZHU R F, LIU M M, HOU Y Y, et al. Mussel-inspired photothermal synergetic system for clean water production using full-spectrum solar energy[J]. Chemical Engineering Journal, 2021, 423: 129099. DOI: 10.1016/j.cej.2021.129099
[24] IRSHAD M S, ARSHAD N, WANG X B. Nanoenabled photothermal materials for clean water production[J]. Global Challenges, 2021, 5(1): 2000055. DOI: 10.1002/gch2.202000055
[25] ZOU Y, YANG P, YANG L, et al. Boosting solar steam generation by photothermal enhanced polydopamine/wood composites[J]. Polymer, 2021, 217: 123464. DOI: 10.1016/j.polymer.2021.123464
[26] GUO Y H, WU H, GUO S Y, et al. Tunable all-in-one bimodal porous membrane of ultrahigh molecular weight polyethylene for solar driven interfacial evaporation[J]. Separation and Purification Technology, 2022, 302: 122071. DOI: 10.1016/j.seppur.2022.122071
[27] GAO M M, ZHU L L, PEH C K, et al. Solar absorber material and system designs for photothermal water vaporization towards clean water and energy production[J]. Energy & Environmental Science, 2019, 12(3): 841-864.
[28] VÉLEZ-CORDERO J R, HERNANDEZ-CORDERO J. Heat generation and conduction in PDMS-carbon nanoparticle membranes irradiated with optical fibers[J]. International Journal of Thermal Sciences, 2015, 96: 12-22. DOI: 10.1016/j.ijthermalsci.2015.04.009
[29] ZHOU Q X, LI H, LI D D, et al. A graphene assembled porous fiber-based Janus membrane for highly effective solar steam generation[J]. Journal of Colloid and Interface Science, 2021, 592: 77-86. DOI: 10.1016/j.jcis.2021.02.045
[30] KIM M, YANG K, KIM Y S, et al. Laser-induced photothermal generation of flexible and salt-resistant monolithic bilayer membranes for efficient solar desalination[J]. Carbon, 2020, 164: 349-356. DOI: 10.1016/j.carbon.2020.03.059
[31] JO S, LEE W, PARK J, et al. Wide-range direct detection of 25-hydroxyvitamin D3 using polyethylene-glycol-free gold nanorod based on LSPR aptasensor[J]. Biosensors and Bioelectronics, 2021, 181: 113118. DOI: 10.1016/j.bios.2021.113118
[32] CHEN J X, YE Z Y, YANG F, et al. Plasmonic nanostructures for photothermal conversion[J]. Small Science, 2021, 1(2): 2000055. DOI: 10.1002/smsc.202000055
[33] ZHU H W, GE J, ZHAO H Y, et al. Sponge-templating synthesis of sandwich-like reduced graphene oxide nanoplates with confined gold nanoparticles and their enhanced stability for solar evaporation[J]. Science China Materials, 2020, 63(10): 1957-1965. DOI: 10.1007/s40843-020-1446-5
[34] SUN Z Y, WANG J J, WU Q L, et al. Plasmon based double-layer hydrogel device for a highly efficient solar vapor generation[J]. Advanced Functional Materials, 2019, 29(29): 1901312. DOI: 10.1002/adfm.201901312
[35] CHAE H G, NEWCOMB B A, GULGUNJE P V, et al. High strength and high modulus carbon fibers[J]. Carbon, 2015, 93: 81-87. DOI: 10.1016/j.carbon.2015.05.016
[36] WANG Z X, YANG H C, HE F, et al. Mussel-inspired surface engineering for water-remediation materials[J]. Matter, 2019, 1(1): 115-155. DOI: 10.1016/j.matt.2019.05.002
[37] SUN H X, LI Y Z, LI J Y, et al. Facile preparation of a carbon-based hybrid film for efficient solar-driven interfacial water evaporation[J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2021, 13(28): 33427-33436.
[38] WANG H Q, ZHANG C, ZHANG Z H, et al. Artificial trees inspired by monstera for highly efficient solar steam generation in both normal and weak light environments[J]. Advanced Functional Materials, 2020, 30(48): 2005513. DOI: 10.1002/adfm.202005513
[39] XU Y, GUO Z Z, WANG J, et al. Harvesting solar energy by flowerlike carbon cloth nanocomposites for simultaneous generation of clean water and electricity[J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2021, 13(23): 27129-27139.
[40] CAO P, ZHAO L M, ZHANG J W, et al. Gradient heating effect modulated by hydrophobic/hydrophilic carbon nanotube network structures for ultrafast solar steam generation[J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2021, 13(16): 19109-19116.
[41] YANG D Z, ZHOU B, HAN G J, et al. Flexible transparent polypyrrole-decorated MXene-based film with excellent photothermal energy conversion performance[J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2021, 13(7): 8909-8918.
[42] XIONG Z C, ZHU Y J, QIN D D, et al. Flexible salt-rejecting photothermal paper based on reduced graphene oxide and hydroxyapatite nanowires for high-efficiency solar energy-driven vapor generation and stable desalination[J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2020, 12(29): 32556-32565.
[43] ZHANG H T, LI L, JIANG B, et al. Highly thermally insulated and superhydrophilic corn straw for efficient solar vapor generation[J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2020, 12(14): 16503-16511.
[44] 陈根余, 陶能如, 李明全, 等. 碳纤维复合材料激光制孔技术研究进展[J]. 复合材料学报, 2022, 39(4): 1395-1410. CHEN Genyu, TAO Nengru, LI Mingquan, et al. Research progress of laser drilling technology for carbon fiber reinforced composites[J]. Acta Materiae Compositae Sinica, 2022, 39(4): 1395-1410(in Chinese).
[45] TAO P, NI G, SONG C, et al. Solar-driven interfacial evaporation[J]. Nature Energy, 2018, 3(12): 1031-1041. DOI: 10.1038/s41560-018-0260-7
[46] 刘强, 肖维新, 罗渊, 等. 高效海水淡化的太阳能界面蒸发器研究进展[J]. 太阳能学报, 2024, 45(3): 591-602. LIU Qiang, XIAO Weixin, LUO Yuan, et al. Research progress on solar interface evaporators for efficient seawater desalination[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2024, 45(3): 591-602(in Chinese).
[47] SHAHBAZI M A, GHALKHANI M, MALEKI H . Directional freeze-casting: A bioinspired method to assemble multifunctional aligned porous structures for advanced applications[J]. Advanced Engineering Materials, 2020, 22(7): 2000033. DOI: 10.1002/adem.202000033
[48] TONG D D, SONG B. A high-efficient and ultra-strong interfacial solar evaporator based on carbon-fiber fabric for seawater and wastewater purification[J]. Desalination, 2022, 527: 115586. DOI: 10.1016/j.desal.2022.115586
[49] 杜恒, 方剑, 葛灿, 等. 界面光热水蒸发用碳基纤维材料的研究进展[J]. 复合材料学报, 2023, 40(6): 3115-3124. DU Heng, FANG Jian, GE Can, et al. Research progress in carbon-based fibrous materials for interfacial photothermal steam generation[J]. Acta Materiae Compositae Sinica, 2023, 40(6): 3115-3124(in Chinese).
[50] LI T T, FANG Q L, XI X F, et al. Ultra-robust carbon fibers for multi-media purification via solar-evaporation[J]. Journal of Materials Chemistry A, 2019, 7(2): 586-593. DOI: 10.1039/C8TA08829B
[51] ZHAO G M, CHEN Y L, PAN L Q, et al. Plant-inspired design from carbon fiber toward high-performance salt-resistant solar interfacial evaporation[J]. Solar Energy, 2022, 233: 134-141. DOI: 10.1016/j.solener.2022.01.025
[52] JI M W, LIU H C, CHENG M S, et al. Plasmonic metal nanoparticle loading to enhance the photothermal conversion of carbon fibers[J]. The Journal of Physical Chemistry C, 2022, 126(5): 2454-2462. DOI: 10.1021/acs.jpcc.1c10792
[53] LIU H C, HUANG G C, WANG R, et al. Carbon nanotubes grown on the carbon fibers to enhance the photothermal conversion toward solar-driven applications[J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2022, 14(28): 32404-32411.
[54] WU M Y, WANG Z X, YAO S J, et al. A self-floating photothermal evaporator with 3D gradient water channel for highly efficient solar seawater desalination[J]. Reactive and Functional Polymers, 2023, 185: 105529. DOI: 10.1016/j.reactfunctpolym.2023.105529
[55] CHONG W M, MENG R R, LIU Z X, et al. Superhydrophilic polydopamine-modifed carbon-fiber membrane with rapid seawater-transferring ability for constructing efficient hanging-model evaporator[J]. Advanced Fiber Materials, 2023, 5(3): 1063-1075. DOI: 10.1007/s42765-023-00276-6
[56] WU C M, CHENG C T, TESSEMA A A, et al. Staple carbon fabric/polyurethane Janus membranes for photothermal conversion and interfacial steam generation[J]. Journal of Polymer Research, 2023, 30(6): 196. DOI: 10.1007/s10965-023-03594-w
[57] WAN J M, XU J, ZHU S Y, et al. Flexible biomimetic materials with excellent photothermal performance and superhydrophobicity[J]. Journal of Colloid and Interface Science, 2023, 629: 581-590. DOI: 10.1016/j.jcis.2022.09.108
[58] 王业文, 董洁, 孙润军, 等. 碳纤维电加热元件最新研究进展[J]. 高科技纤维与应用, 2023, 48(6): 18-25. WANG Yewen, DONG Jie, SUN Runjun, et al. The latest research progress on carbon fiber electric heating elements[J]. Hi-Tech Fiber and Application, 2023, 48(6): 18-25(in Chinese).
[59] 韩朝锋, 薛有松, 张东生, 等. 碳纤维复合材料电导特性和力电耦合行为研究进展[J]. 复合材料学报, 2023, 40(6): 3136-3152. HAN Chaofeng, XUE Yousong, ZHANG Dongsheng, et al. Research progress on electrical property and electromechanical coupling behaviors of carbon fiber composites[J]. Acta Materiae Compositae Sinica, 2023, 40(6): 3136-3152(in Chinese).
[60] 杨小平, 荣浩鸣, 沈曾民. 碳纤维面状发热材料的性能研究[J]. 高科技纤维与应用, 2000, 25(3): 39-42. YANG Xiaoping, RONG Haoming, SHEN Zengmin. Study on the properties of carbon fiber facial heating material[J]. Hi-Tech Fiber and Application, 2000, 25(3): 39-42(in Chinese).
[61] LI Q Q, YING Y F, TAO Y L, et al. Assemblable carbon fiber/metal–organic framework monoliths for energy-efficient atmospheric water harvesting[J]. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2022, 61(3): 1344-1354.
[62] LEE J S, HOANG V T, KWEON J H, et al. Multifunctional Ni-plated carbon fiber reinforced thermoplastic composite with excellent electrothermal and superhydrophobic properties using MWCNTs and SiO2/Ag microspheres[J]. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2023, 171: 107585. DOI: 10.1016/j.compositesa.2023.107585
[63] ZHAO S J, ZHANG X, WEI G, et al. All-weather photothermal-electrothermal integrated system for efficient solar steam generation[J]. Chemical Engineering Journal, 2023, 458: 141520. DOI: 10.1016/j.cej.2023.141520
[64] HUANG J, HE Y R, HU Y W, et al. Coupled photothermal and joule-heating process for stable and efficient interfacial evaporation[J]. Solar Energy Materials and Solar Cells, 2019, 203: 110156. DOI: 10.1016/j.solmat.2019.110156
[65] XU D, GE C, CHEN Z, et al. Composite braided fabric coupled with photothermal and electrothermal processes for stable and continuous all-day desalination[J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2022, 14(46): 52087-52095.
[66] WANG C B, XU K Y, SHI G L, et al. Water skin effect and arched double-sided evaporation for boosting all-weather high salinity desalination[J]. Advanced Energy Materials, 2023, 13(21): 2300134. DOI: 10.1002/aenm.202300134
-
目的
碳纤维(CF)是三大高性能纤维之一，具有较强的光热以及电热转化性能，可以高效的将太阳光和电能转化为热能。目前对于碳纤维的应用还大部分基于低密度、高强高模的优势特性上，为了促进碳纤维在太阳光界面水蒸发的应用，本文从碳纤维光热及光电耦合两个方面来综述目前碳纤维在界面水蒸发的研究进展。
方法太阳能界面蒸发器的主要热损失就是光热层与水体进行的热传导的热量损失，可以通过水通道的设计以及隔热层的使用在减少热传导的损失达到提高蒸发速率的效果。而大多数报道的蒸发器只能在晴天有效工作，提高蒸发器的蒸发效率是极具挑战性的，传统蒸发器在雨天、阴天、雾天及夜间的效率明显下降，严重制约了太阳能蒸发器的应用，所以设计一种能在各种情况下持续蒸发的蒸发器或通过额外的电源来提高效率具有重要意义。在碳纤维界面蒸发的研究中，从碳纤维光热以及光电耦合两个方面进行探究，并且分别针对碳纤维光滑致密的表面结构以及低表面能等缺点，总结其解决方法，以及在水通道、仿生结构、多级结构、掺杂其他光热材料和回收碳纤维的应用几个方面来讨论碳纤维界面蒸发器的发展，对将来碳纤维在界面蒸发中的应用提出展望。
结果在碳纤维光热界面蒸发的研究中：ϕ针对碳纤维表面结果及低表面能的问题，Li等利用表面改性的方法用葡萄糖溶液中的水热碳化制备了CF表面的多尺度热液碳层，不仅提高了蒸发性能还显著提高了蒸发器件的机械性能。κ针对仿生结构， Bu等运用仿生结构以荷叶为灵感，来控制水传输通道，合理设计了三维锥形蒸发器，通过巧妙地改变支路(棉棒)的数量来调节供水量和蒸发速率；Zhao等也使用简单的仿生结构，利用一种由几种碳纤维束(CFB)和穿孔木材组成的植物启发装置，碳纤维之间微通道的毛细管力可以有效地供水。λ针对掺杂其他光热材料， Ji等设计了一种在CF表面生长金属纳米粒子(NPs)的简单方法，利用金属(NP)和CF结合起来增强光热转化的简单方法及其在析水中的应用。 Liu等通过原位生长的方法将碳纳米管(CNT)在CF上生长，所制备的碳纳米管/碳纳米管具有优异的光热转换应用能力。并且具备吸附染料或阳离子溶液的潜力。μ针对多级结构，Tong等通过一种基于改性CF织物多层太阳能驱动的界面水蒸发装置，分层的蜂窝结构还确保了充足的供水和卓越的热管理。ν针对碳纤维薄膜， Wu等设计了一种独特的三维自浮梯度复合膜，它不仅有一个隔热的水道，而且可以连续供水，这也将限制光热层接触大量水，减少了热损失； Chong等使用疏水工业级碳纤维膜(CFM)用聚多巴胺(PDA)对CFM进行表面改性，制备了有效的悬挂式无盐蒸发器，促进了悬挂式蒸发器在连续蒸发中的进一步实际应用无盐脱盐。ο针对废弃碳纤维， Wu等通过使用短纤维碳织物制备了Janus膜，Janus膜表现出卓越的循环稳定性，并且表现出更好的水蒸发性能； Wan等使用碳纤维粉末和聚二甲基硅氧烷等原料，制备了纸基超疏水材料，表现出良好的光热转换特性。在碳纤维光电耦合界面蒸发的研究中：ϕ针对光电协同蒸发， Huang等提出了使用碳纤维(CF)材料进行界面蒸发的耦合可调谐光热和焦耳加热工艺，可以调整电能的输入功率以匹配太阳能的损失。κ针对水通道， Xu等利用碳纤维/天丝复合编织物用于稳定连续的全天脱盐技术，具有优异的光热和电热转换能力，在全天候连续运行的情况下，水中大部分有机物、金属离子和污染物得到有效去除。λ针对蒸发器件立体结构，Zhao等设计并建造了一个三维全天候太阳能蒸发器，使用碳纤维加热丝长期运行可以充分利用太阳能白天收集的能量，以提高太阳能利用和水净化的效率。Wang等使用涂覆疏水性碳纤维布(CC)利用金属有机骨架(MOF)衍生的超亲水碳膜，并且弯曲成拱形构造，将蒸发层与水面不接触，减少了热量的流失。
结论(1)碳纤维本身表面光滑的致密结构和低表面能会抑制水传输和光吸收。可以利用和其他亲水性纤维混纺的方式或者对碳纤维表面进行活化来解决这些问题。(2)太阳能蒸发器的水的供需平衡问题是影响蒸发速率的很重要的一个因素，而针对光热材料表面水的供需平衡问题，通过仿生结构借助自然界的灵感在不使用外部装置供水的情况下，通过改变供水通道的数量来控制供水量以及蒸发效率，达到供需平衡。对于单层织物用作太阳能蒸发器件，多级结构可以起到一个充足的供水以及卓越的热管理效果。(3)除此之外复杂的天气变化以及长时间的黑夜条件，对于界面光热转化也有着很大的影响，而碳纤维还有着良好的电热性能，能够在没有太阳光照的情况下，通过通电发热来达到持续水蒸发的效果。因此碳纤维能够结合光热和电热的效果，达到光热协同界面蒸发的效果，有望推动界面水蒸发领域的发展。(4)目前太阳能界面蒸发器已经应用在很多方面了，但是碳纤维基界面蒸发器在实际中的应用还很少，所以可以将碳纤维界面蒸发器与其他蒸发器的进行结合，进一步提高其可用性。
计量
- 文章访问数: 241
- HTML全文浏览量: 171
- PDF下载量: 33
