碳納米管水泥基復合材料制備及功能性能研究.pdf

1、當今，大多數(shù)建筑黏結材料通常是水性的波特蘭水泥，它主要由石灰石、某些粘土礦物和石膏組成。人們一直嘗試研究了一系列添加材料來減弱水泥材料引起的結構失效。擁有高長徑比和彈性模量的微纖維充當增強組分，可以很好地改善水泥材料的力學性能。近幾十年來，在水泥基中添加一些導電微米級碳纖維(CF)引起了廣泛的興趣。這種復合材料不僅在增強、阻裂、增韌等方面擁有獨特的優(yōu)勢，而且還呈現(xiàn)一定的智能自感知功能性。它可制作成本征傳感器件，嵌到土木大型結構的關鍵部件

2、中，“實時、長期、在位”監(jiān)測其所承受的應力及可能的損傷。然而，水泥的主要水化產(chǎn)物鈣礬石的尺度一般為幾百個納米，相應微纖維增強水泥材料在納米尺度仍有諸多缺陷。自從碳納米管(CNT)在1991年被發(fā)現(xiàn)以來，作為擁有超高長徑比的終極纖維材料，它受到越來越多的關注。CNT具有優(yōu)異的力學性能，優(yōu)良的化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，良好的電性能及微波吸收等特性，以及獨特的一維納米結構所特有的納米效應。性能優(yōu)異的CNT已成為各種基體材料理想的增強體，并能賦予復

3、合材料許多新的功能性能。因此，CNT可很好地替代CF充當水泥材料的增強體，發(fā)展一種擁有單一或多項功能的本征納米復合材料。
　　然而，在處理這種納米材料時，由于存在強大的分子間范德華力，CNT極易纏繞，形成聚團，相應在水泥基體內(nèi)分散性很差。如何將 CNT均勻分散在水泥基體中，提高 CNT與基體間界面黏結力，將是首要解決的關鍵問題。本文嘗試表面活性劑(SAA)、(槽式或探針式)超聲分散、化學共價修飾，或電場誘導的幾種工藝將多壁 CNT

4、(MWNT)分散于水中，然后嘗試機械攪拌或高速勻質(zhì)混合法來獲得 MWNT在水泥基體中的均勻分布。結果表明，經(jīng)過合適的 SAA和充分的 Tip超聲處理，以及高速勻質(zhì)攪拌，MWNT在基體中擁有高度的分散，甚至能以單獨個體存在。MWNT在微觀尺度上的均勻分散促使MWNT/水泥基復合材料(MWNT/CC)試件的宏觀力學性能(抗折、抗壓強度)、電導率，較之參比凈漿試件(Plain/C)均有顯著的提高。
　　采用ASTM標準，三點彎曲法獲得M

5、WNT/CC試件梁的荷載–裂縫嘴張開寬度(P-V)曲線。結果表明：少量的 MWNT就可在納米尺度阻止裂紋的擴展，提高水泥基體的斷裂性能。相比于 Plain/C，相應 MWNT/CC試件梁的斷裂韌度(KIC)、臨界張開寬度(δc)分別能提高175.21％、54.77%。
　　采用自由振動衰減法測試彈性支撐懸掛的 MWNT/CC試件梁的減振性能。分別采用時域法、模態(tài)頻域法識別其共振阻尼比(ξ)和基頻(f1)。之后研究了相應試件梁的抗折

6、強度(σt)。MWNT/CC試件擁有的較好阻尼能力及力學增強主要歸功于 MWNT的微納米填充橋聯(lián)、相互間內(nèi)摩擦與彈塑性波動效應，以及良好分散的 MWNT與水化產(chǎn)物質(zhì)點界面摩擦。相比于 Plain/C試件，相應ξc、σt的最大提高幅度分別達58.29%、31.63%。
　　探討了濕含量、溫度對 MWNT/CC試件初始電阻率(ρ0)的影響。測試了試件的 DC伏安特性及 AC阻抗響應。濕含量越小，MWNT摻量越高，極化效應越小，對 MW

7、NT/CC試件進行烘干、封裝處理，可隔絕濕含量影響。在-10℃~50℃內(nèi)，MWNT摻量2.0%的試件的ρ0隨環(huán)境溫度近似線性變化。在±2.5V范圍內(nèi)，MWNT/CC試件 DC I-V圖有較明顯非線性、不穩(wěn)定性特征。頻率(f)小于8×104 Hz時 MWNT/CC試件阻抗?；驈妥杩?Z)隨 f變化圖呈現(xiàn)相似的“U”形，而f超過105 Hz后其Z值持續(xù)降低。
　　采用四電極法測MWNT/CC試件的電阻率(ρ)，其ρ隨MWNT摻量增加而

8、顯著降低，從1.526 vol.%開始顯現(xiàn)出較明顯的滲濾現(xiàn)象。用分壓法采集MWNT/CC試件的電阻值，同時采集壓力傳感器上的壓力，應變片上的縱向應變。研究了在單調(diào)荷載，兩種不同加載速率、應力幅值的循環(huán)荷載作用下MWNT/CC的壓阻性能。結果表明：無論是單調(diào)加載段、還是循環(huán)加載、卸載段，摻0.5%MWNT的 MWNT/CC試件應力–應變曲線良好，其壓阻特性曲線的靈敏度及往復穩(wěn)定性在所有組試件中是最高、最好的。此時 MWNT在基體間的隧穿電

9、流密度及可能的接觸電阻會隨著 MWNT纖維間距(勢壘寬度)變化而顯著改變。
　　酸氧化處理可較好地改善 MWNT纖維的分散性、及其與基體間的黏結力，進而 MWNT/CC的力學性能及斷裂韌性有更大的提高?；祀s納米 CB，較之混雜CF，更為有利于MWNT/CC的斷裂韌性及壓阻性能的進一步提高。
　　利用MWNT/CC的自增強(力學、斷裂韌性、阻尼)性能可發(fā)展其成為優(yōu)良的交通鋪道增強、增韌材料；利用復合材料的本征機敏等功能性能可發(fā)