碳納米管水泥基材料的力學性能及機敏性能.pdf

1、混凝土結(jié)構(gòu)的安全性及其監(jiān)測檢測問題是極其重要的問題，具有重大的經(jīng)濟社會影響。在我國隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，許多同三峽大壩、跨海橋梁、南水北調(diào)、西氣東送工程等涉及國計民生的重大土木工程正在興建和已經(jīng)建成，由于這些工程的建筑主要采用水泥基材料，在加載和卸載過程中容易突然發(fā)生災難性破壞，造成重大的財產(chǎn)損失和人員傷亡。因此對其結(jié)構(gòu)的安全性進行簡單、方便、有效的檢測和監(jiān)測具有非常重要的意義。機敏材料是近年來材料物理與化學領(lǐng)域中新興發(fā)展起來

2、的交叉性前沿學科，它涉及物理、化學、材料及電子學等多學科領(lǐng)域。機敏材料的研究將為實現(xiàn)重要結(jié)構(gòu)的檢測提供了前提條件。本文首次對碳納米管-水泥基復合材料的敏感特性及機理進行了系統(tǒng)性的研究，從其敏感材料的優(yōu)化與設(shè)計出發(fā)，對增強材料的特性、摻量與敏感特性以及力學性能的關(guān)系進行了研究，并對實驗中發(fā)現(xiàn)的一些新現(xiàn)象進行了討論。本文從廣義有效介質(zhì)方程出發(fā)，對水泥基復合機敏材料與復合體系中組成參數(shù)的關(guān)系進行了分析與設(shè)計優(yōu)化。根據(jù)計算機模擬結(jié)果

3、，從理論上講導電填料的導電性能越高復合材料的機敏性能越好。復合材料的機敏特性與導電相的體積含量有著密切的關(guān)系，導電相的含量為滲流閾值時的機敏特性最顯著。導電材料的滲流閾值影響材料的機敏性能，在摻量較少時材料的滲流閾值越小則復合材料的機敏性能越強。但是滲流閾值較小的材料的最大電阻變化率將較小。本文研究了碳納米管對水泥復合材料力學性能的影響，并與碳纖維水泥復合材料的性能進行了對比。在水泥基材料中摻入一定的碳納米管后，由于納米微

4、粒的尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)以及填充微孔作用，其宏觀力學性能顯著提高；但是摻量超過一定量時，由于碳納米管增加了復合材料的用水量，因而強度反而降低。壓汞實驗結(jié)果表明，適量的碳納米管可以減少水泥基體中的孔隙率和有害孔的含量，因此碳納米管水泥基復合材料結(jié)構(gòu)致密，其抗壓強度比碳纖維水泥基復合材料和素水泥砂漿高。同時由于碳纖維和碳納米管都具有橋接作用，都能貫穿孔隙、裂縫和孔洞，因此水泥基材料中摻入導電材料后抗折力學性能顯著增加。微觀結(jié)構(gòu)測試

5、表明碳納米管能夠均勻的分散在水泥基體中，并與水泥基體結(jié)合較好，與傳統(tǒng)碳纖維不同的是，碳納米管在復合物中保持彎曲狀態(tài)并且互相交織，當碳納米管的在水泥凈漿中的摻量為0.5wt％時形成了完好的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，因此碳納米管水泥基材料具有良好的力學性能。碳纖維與水泥基體的界面結(jié)合弱，有明顯缺陷，因此力學性能比相同摻量的碳納米管水泥砂漿差。本文研究了碳納米管對水泥復合材料導電性能和機敏性能的影響，并與碳纖維水泥復合材料的性能進行了對比，在水泥

6、材料中摻入碳納米管后將顯著提高材料的導電性能，并且其作用效果遠比碳纖維強。碳納米管水泥材料的導電現(xiàn)象是一種典型的逾滲現(xiàn)象，對碳納米管水泥凈漿而言，其逾滲閾值在0.3～1％之間。碳納米管水泥砂漿、碳纖維水泥砂漿和普通水泥砂漿都存在導電極化現(xiàn)象。其中普通水泥砂漿的極化時間最長，極化程度最大；由于存在較多的孔隙率和大孔的含量，碳纖維水泥砂漿的極化時間比碳納米管水泥砂漿短，而同時由于碳納米管的導電能力比碳纖維強，因此碳納米管水泥砂漿

7、的極化程度小。碳納米管-水泥砂漿、碳纖維水泥砂漿電阻變化率與所受應(yīng)力之間存在一定的關(guān)系，在受到常規(guī)壓力情況下表現(xiàn)為負壓敏性能，而當壓力超過一定值時，水泥基材料將表現(xiàn)為正壓敏特性。水泥基壓敏材料的壓敏性受到三種效應(yīng)(一是量子電容效應(yīng)，一是隧穿效應(yīng)以及接觸導電效應(yīng))共同作用，壓敏性表現(xiàn)為何種現(xiàn)象要看兩種效應(yīng)中那種占優(yōu)，當電容效應(yīng)占優(yōu)時表現(xiàn)為正壓敏性，而當隧穿效應(yīng)和接觸導電效應(yīng)占優(yōu)時則表現(xiàn)為負壓敏性。本文研究了表面改性對碳納米管

8、對水泥復合材料的力學性能、導電性能和機敏性能的影響，并采用紅外分析和隧道掃描電鏡分析了復合材料的微觀性能。碳納米管經(jīng)采用濃硫酸和濃硝酸混合溶液進行表面改性后，表面帶有羧酸基團，能跟水泥基材料更好的相互作用，因此水泥復合材料的力學性能比不改性高。表面改性使碳納米管表面能明顯提高、碳納米管相互接觸點的數(shù)量減少、碳納米管之間的勢壘增加，碳納米管水泥砂漿的導電性能比不改性水泥砂漿低，表面改性碳納米管水泥砂漿的壓敏性能比不改性水泥砂漿

9、高。本文研究了分散劑對碳納米管對水泥復合材料的力學性能、導電性能和機敏性能的影響，并采用壓汞儀和掃描電鏡分析了復合材料的微觀性能。碳纖維常用的甲基纖維素對碳納米管沒有分散作用，十二烷基苯磺酸鈉能較有效的分散碳納米管。摻入分散劑的碳納米管水泥砂漿的孔的含量明顯比不摻分散劑的水泥砂漿高，因此分散劑的摻入降低了水泥砂漿的力學性能。分散劑的摻入使得碳納米管在分散劑表面成球形分布，在微觀上講是非常不均勻，結(jié)果使得水泥石中局部的碳納米

10、管的濃度比不摻分散劑的碳納米管水泥砂漿高，因此摻入分散劑的碳納米管水泥砂漿的導電性能明顯比不摻分散劑的水泥砂漿高。由于孔洞的大量存在使得復合材料的接觸導電效應(yīng)和隧穿效應(yīng)作用明顯，結(jié)果導致?lián)饺敕稚┑奶技{米管水泥砂漿的機敏性能比不摻分散劑的水泥砂漿高，同樣由于大量的孔洞和碳納米管在微觀上的不均勻，導致復合材料的電容器效應(yīng)也非常顯著，結(jié)果使得摻分散劑碳納米管水泥砂漿的機敏曲線非常不規(guī)則存在明顯噪音。最后，本文對關(guān)于進一步工作的