碳納米管水泥基復(fù)合材料制備及功能性能研究.pdf

1、當(dāng)今，大多數(shù)建筑黏結(jié)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(lái)減弱水泥材料引起的結(jié)構(gòu)失效。擁有高長(zhǎng)徑比和彈性模量的微纖維充當(dāng)增強(qiáng)組分，可以很好地改善水泥材料的力學(xué)性能。近幾十年來(lái)，在水泥基中添加一些導(dǎo)電微米級(jí)碳纖維(CF)引起了廣泛的興趣。這種復(fù)合材料不僅在增強(qiáng)、阻裂、增韌等方面擁有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，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(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部件

2、中，“實(shí)時(shí)、長(zhǎng)期、在位”監(jiān)測(cè)其所承受的應(yīng)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(gè)納米，相應(yīng)微纖維增強(qiáng)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(lái)，作為擁有超高長(zhǎng)徑比的終極纖維材料，它受到越來(lái)越多的關(guān)注。CNT具有優(yōu)異的力學(xué)性能，優(yōu)良的化學(xué)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(dú)特的一維納米結(jié)構(gòu)所特有的納米效應(yīng)。性能優(yōu)異的CNT已成為各種基體材料理想的增強(qiáng)體，并能賦予復(fù)

3、合材料許多新的功能性能。因此，CNT可很好地替代CF充當(dāng)水泥材料的增強(qiáng)體，發(fā)展一種擁有單一或多項(xiàng)功能的本征納米復(fù)合材料。
　　然而，在處理這種納米材料時(shí)，由于存在強(qiáng)大的分子間范德華力，CNT極易纏繞，形成聚團(tuán)，相應(yīng)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(jié)力，將是首要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。本文嘗試表面活性劑(SAA)、(槽式或探針式)超聲分散、化學(xué)共價(jià)修飾，或電場(chǎng)誘導(dǎo)的幾種工藝將多壁 CNT

4、(MWNT)分散于水中，然后嘗試機(jī)械攪拌或高速勻質(zhì)混合法來(lái)獲得 MWNT在水泥基體中的均勻分布。結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)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(dú)個(gè)體存在。MWNT在微觀尺度上的均勻分散促使MWNT/水泥基復(fù)合材料(MWNT/CC)試件的宏觀力學(xué)性能(抗折、抗壓強(qiáng)度)、電導(dǎo)率，較之參比凈漿試件(Plain/C)均有顯著的提高。
　　采用ASTM標(biāo)準(zhǔn)，三點(diǎn)彎曲法獲得M

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

6、強(qiáng)度(σt)。MWNT/CC試件擁有的較好阻尼能力及力學(xué)增強(qiáng)主要?dú)w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(dòng)效應(yīng)，以及良好分散的 MWNT與水化產(chǎn)物質(zhì)點(diǎn)界面摩擦。相比于 Plain/C試件，相應(yīng)ξc、σt的最大提高幅度分別達(dá)58.29%、31.63%。
　　探討了濕含量、溫度對(duì) MWNT/CC試件初始電阻率(ρ0)的影響。測(cè)試了試件的 DC伏安特性及 AC阻抗響應(yīng)。濕含量越小，MWNT摻量越高，極化效應(yīng)越小，對(duì) MW

7、NT/CC試件進(jìn)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(xiàn)性變化。在±2.5V范圍內(nèi)，MWNT/CC試件 DC I-V圖有較明顯非線(xiàn)性、不穩(wěn)定性特征。頻率(f)小于8×104 Hz時(shí) MWNT/CC試件阻抗?；驈?fù)阻抗(Z)隨 f變化圖呈現(xiàn)相似的“U”形，而f超過(guò)105 Hz后其Z值持續(xù)降低。
　　采用四電極法測(cè)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(kāi)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(shí)采集壓力傳感器上的壓力，應(yīng)變片上的縱向應(yīng)變。研究了在單調(diào)荷載，兩種不同加載速率、應(yīng)力幅值的循環(huán)荷載作用下MWNT/CC的壓阻性能。結(jié)果表明：無(wú)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(yīng)力–應(yīng)變曲線(xiàn)良好，其壓阻特性曲線(xiàn)的靈敏度及往復(fù)穩(wěn)定性在所有組試件中是最高、最好的。此時(shí) MWNT在基體間的隧穿電

9、流密度及可能的接觸電阻會(huì)隨著 MWNT纖維間距(勢(shì)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(jié)力，進(jìn)而 MWNT/CC的力學(xué)性能及斷裂韌性有更大的提高。混雜納米 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(jìn)一步提高。
　　利用MWNT/CC的自增強(qiáng)(力學(xué)、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(qiáng)、增韌材料；利用復(fù)合材料的本征機(jī)敏等功能性能可發(fā)