碳納米管增強水泥基復合材料多尺度性能及機理研究.pdf

1、碳納米管(Carbon nanotubes，以下簡稱CNTs)具有輕質、高強度、高耐熱性、高比表面積等特殊性能，無論是強度還是韌性，都遠遠優(yōu)于任何纖維，被認為是未來的“超級纖維”。碳納米管能改善水泥基復合材料的強度和韌性，顯著提高其耐久性，還可賦予水泥基復合材料導電導熱、電磁屏蔽、壓電等諸多新型功能性性能，為新一代的結構復合材料和功能復合材料提供了新的發(fā)展空間。因此，研究碳納米管對水泥基材料微結構及宏觀性能的影響規(guī)律及機理，對這一新型復

2、合材料的發(fā)展意義重大。
　　全文緊緊圍繞碳納米管水泥基材料宏觀性能及微觀結構的演化這一核心問題，結合碳納米管的分散技術，分析了不同分散方法對其在水泥基材料中分散性的影響，提出了碳納米管在水泥基材料中分散性的定量表征方法;運用現(xiàn)代化的測試技術，在微納米尺度上對水泥基復合材料中主要水化產(chǎn)物（不同密度CSH凝膠的組成）、未水化水泥顆粒、各層次界面、孔等信息進行了定性和定量表征;分析了碳納米管對水泥基材料強度、韌性、耐磨性、彈性模量等宏觀

3、力學性能的影響規(guī)律，結合微結構演化規(guī)律，討論了碳納米管水泥基材料的微觀結構與宏觀性能的之間的聯(lián)系;探討了碳納米管水泥基復合材料電阻率隨載荷的變化規(guī)律，結合復合材料的微結構特征和機敏性分析，確定了碳納米管水泥基復合材料隨載荷變化的機敏性機理。本文取得的主要研究結論和創(chuàng)新性成果包括以下五個方面:
　　(1)提出了碳納米管水性分散體的制備技術及其分散性的定量表征方法
　　首先根據(jù)碳納米管的結構特征，確定了超聲波分散與分散劑分散相結

4、合的分散方法，根據(jù)透射電鏡的實驗結果，確定碳納米管分散體的分散性和穩(wěn)定性均較優(yōu)的分散制度為，先將分散劑緩慢加入水中，磁力攪拌2-3分鐘至均勻，緩慢加入碳納米管，再磁力攪拌2分鐘，然后攪拌好的分散液超聲分散30分鐘，采用聚乙烯吡咯烷酮為分散劑，分散劑與碳納米管的質量比為2∶1。
　　然后，運用Image軟件對采用透射電鏡等測試技術獲取的圖像進行二值化處理和分析，運用基于統(tǒng)計方法的概率密度函數(shù)對碳納米管在水泥基材料中的分散性進行表征，

5、顆粒粒徑為自變量，以粒徑實際尺寸代替像素進行表征，采用Gauss和Lognormal兩種函數(shù)分別擬合。根據(jù)擬合結果，確定采用Gauss函數(shù)擬合的碳納米管粒徑分布的統(tǒng)計概率密度函數(shù)曲線更為合理，在一定區(qū)間內對曲線進行積分，確定碳納米管分散性的定量表征值，用分散度R表示。
　　(2)揭示了碳納米管水泥基材料微結構的演化規(guī)律及其影響機理
　　首先，采用SEM技術對碳納米管水泥基復合材料的界面過渡區(qū)微觀結構形貌進行了分析，并利用BS

6、EM技術和圖形處理軟件相結合的方法對界面過渡區(qū)的孔結構分布進行了定量計算與表征;其次，利用SEM和能譜相結合的技術對碳納米管水泥基材料的水化產(chǎn)物進行分析;然后，采用壓汞技術和計算機斷層掃描技術相結合的方法，對碳納米管水泥基復合材料的微孔結構和宏細觀孔結構進行整合分析。實驗結果顯示，礦物摻合料、基體的水膠比及碳納米管的分散性等因素均會對碳納米管水泥基材料微觀結構產(chǎn)生影響，分散性良好的碳納米管能夠起到納米晶核和微填充效應，有效改善水泥基材料

7、的微結構性能。
　　(3)建立了碳納米管水泥基復合材料宏觀力學性能與微觀結構特征之間的聯(lián)系
　　通過研究碳納米管對水泥基復合材料的抗壓強度、抗折強度、耐磨性、斷裂韌性等宏觀力學行為的影響，分析了碳納米管的分散性、基體水膠比、礦物摻合料等因素對其力學性能的影響規(guī)律。結果表明，分散性良好的碳納米管可提高水泥基材料的宏觀力學性能。隨碳納米管摻量的增加，水泥砂漿的強度、耐磨性和斷裂韌性提高，當碳納米管摻量為0.5％時，水泥砂漿28d

8、抗折和抗壓強度分別提高了49.4％和40.8％。當碳納米管摻量為0.2％時，水泥砂漿的磨耗值由10.1 kg/m2降至4.5kg/m2。當碳納米管摻量分別為0.2％和0.5％時，不摻加硅灰的水泥砂漿裂紋尖端張開口位移分別增大了29％和49％，而摻加硅灰的水泥砂漿則分別提高了210％和230％。然而，與碳納米管自身的優(yōu)異性能相比，實際增強增韌效果似乎與理論存在一定的差距。分析其原因可能為以下兩點:1）碳納米管摻量過低達不到閾值，或者摻量較

9、高時分散不好，碳納米管的優(yōu)異性能未得到應有的發(fā)揮;2）納米尺度上的增強增韌效果無法用宏觀尺度上的增強增韌效果進行衡量。
　　根據(jù)碳納米管水泥基材料微觀結構特征的演化規(guī)律，結合其宏觀力學性能的變化，建立論了碳納米管水泥基材料宏觀力學性能與微結構特征之間的有機聯(lián)系。
　　(4)揭示了碳納米管水泥基材料的納米力學特性
　　利用納米壓痕儀對不同碳納米管摻量下硬化水泥漿體的納米力學性能進行了大量的研究，得出了低密度水化硅酸鈣凝膠

10、(L C-S-H)，高密度水化硅酸鈣凝膠(HC-S-H)、氫氧化鈣(CH)等的納米力學行為。實驗結果表明，碳納米管的加入改變了水泥水化產(chǎn)物的組成，壁碳納米管可以填充C-S-H凝膠的納米孔隙，減小水泥漿體的納米孔隙率，從納米尺度上改善了C-S-H凝膠的微觀結構，提高了C-S-H凝膠的彈性模量和壓痕硬度，進一步從納觀尺度闡釋了碳納米管的改性機理。
　　(5)闡釋了碳納米管對水泥基復合材料壓電機敏性的影響規(guī)律及機理
　　探討了不同

11、碳納米管摻量對復合材料體積電阻的影響，研究了復合材料電阻率隨載荷的變化規(guī)律，分析了復合材料的微觀結構特征和壓電機敏性能。結果顯示，當碳納米管摻量從0.0％增加到0.5％時，基體微結構得到改善，水化產(chǎn)物結合較為緊密，碳納米管在基體中分散較好，基體無明顯缺陷。此時，碳納米管在水泥基體中間距較大，宏觀隧道導電效應起到主導作用。當碳納米管的摻量進一步提高時，一些碳納米管相互搭接并形成導電通路，滲濾導電效應開始起到主導作用，由滲濾導電理論控制的復