近日，课题组谢宁副教授在行业顶级期刊《Cement and Concrete Composition》发表全文（Z. Zhou, N. Xie, X. Cheng et al., Electrical properties of low dosage carbon nanofiber/cement composite: Percolation behavior and polarization effect），揭示了在纳米碳纤维-水泥基导电材料中隧道效应的影响因素及隧道效应对基体电阻率性能的影响。

导电水泥基材料的发展对智能城市的建设具有极其重要的意义。为使传统无机水泥建筑具有优良的导电性，将具有高长径比、高导电性的纳米碳纤维作为导电相引入到水泥基体中。导电能力是导电混凝土最主要的性能指标。目前研究已将纤维掺量，纤维分散状态，含水量，养护龄期以及孔结构等作为混凝土材料导电性能的主要影响因素，并且将纤维网络，离子水通道以及隧道效应导电通道作为主要导电通路。然而，有关温度作为主要影响因素的研究相对匮乏，尤其是由焦耳热能引起的水泥试样温度变化从而对导电通路造成的影响及影响机理尚不明确。本研究探究了在不同强度的焦耳热效应下纳米碳纤维-水泥基材料电阻率的变化规律，提出了隧道效应的渗流现象。研究发现，

（1）纳米碳纤维构成的导电网络，离子水通道以及隧道效应导电能到共同为水泥基体内的载流子传导做出贡献。

（2）隧道效应是水泥基试样电阻率的重要影响因素。隧道效应强度由两个因素共同决定：焦耳热效应强度和试样温度。当隧道效应较弱时，纤维导电网络的连接性较差，极化现象主导电阻率呈现出正温度系数性质；而当隧道效应逐渐增强时，附加导电通道被激发，导电网络连接程度增加，从而抑制了极化现象，使电阻率由正温度系数转变为负温度系数性质；而当隧道效应超过一定限度时，高温导致水泥基体水分散失及产生裂缝，从而破坏了导电通道，使导电性能大大下降。

（3）在冰冻环境下离子溶液结冰导致部分导电通道失去导电能力，从而导致水泥基材料导电机理发生变化。而在焦耳热效应下，结冰的离子通道重新出现连接现象，从而保持离子通道的导电能力。

焦耳热效应对0.05%-纳米碳纤维/水泥基材料电阻率-温度系数的影响

本研究揭示了纳米碳纤维掺量、外加电压、含水量和温度对水泥基复合材料电阻率的协同效应，阐明了隧道效应的渗流现象以及其对纳米碳纤维-水泥复合材料电阻率-温度系数的影响，有助于解释焦耳热效应对水泥基材料导电机理的影响机理。

本研究获得国家自然科学基金(51772128,51761145023、51632003)、“泰山学者计划”、济南市“一事一议人才计划”、“双百外国专家计划”(WST2018011)、“先进水泥基材料学科创新引智基地(111基地)”等项目支持。程新教授和谢宁副教授是文章通讯作者。

原文链接https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2020.103539