碳納米管增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料多尺度性能及機(jī)理研究.pdf

1、碳納米管(Carbon nanotubes，以下簡(jiǎn)稱CNTs)具有輕質(zhì)、高強(qiáng)度、高耐熱性、高比表面積等特殊性能，無(wú)論是強(qiáng)度還是韌性，都遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于任何纖維，被認(rèn)為是未來(lái)的“超級(jí)纖維”。碳納米管能改善水泥基復(fù)合材料的強(qiáng)度和韌性，顯著提高其耐久性，還可賦予水泥基復(fù)合材料導(dǎo)電導(dǎo)熱、電磁屏蔽、壓電等諸多新型功能性性能，為新一代的結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和功能復(fù)合材料提供了新的發(fā)展空間。因此，研究碳納米管對(duì)水泥基材料微結(jié)構(gòu)及宏觀性能的影響規(guī)律及機(jī)理，對(duì)這一新型復(fù)

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(jié)構(gòu)的演化這一核心問(wèn)題，結(jié)合碳納米管的分散技術(shù)，分析了不同分散方法對(duì)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(yùn)用現(xiàn)代化的測(cè)試技術(shù)，在微納米尺度上對(duì)水泥基復(fù)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(jìn)行了定性和定量表征;分析了碳納米管對(duì)水泥基材料強(qiáng)度、韌性、耐磨性、彈性模量等宏觀

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

4、合的分散方法，根據(jù)透射電鏡的實(shí)驗(yàn)結(jié)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(zhì)量比為2∶1。
　　然后，運(yùn)用Image軟件對(duì)采用透射電鏡等測(cè)試技術(shù)獲取的圖像進(jìn)行二值化處理和分析，運(yùn)用基于統(tǒng)計(jì)方法的概率密度函數(shù)對(duì)碳納米管在水泥基材料中的分散性進(jìn)行表征，

5、顆粒粒徑為自變量，以粒徑實(shí)際尺寸代替像素進(jìn)行表征，采用Gauss和Lognormal兩種函數(shù)分別擬合。根據(jù)擬合結(jié)果，確定采用Gauss函數(shù)擬合的碳納米管粒徑分布的統(tǒng)計(jì)概率密度函數(shù)曲線更為合理，在一定區(qū)間內(nèi)對(duì)曲線進(jìn)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(jié)構(gòu)的演化規(guī)律及其影響機(jī)理
　　首先，采用SEM技術(shù)對(duì)碳納米管水泥基復(fù)合材料的界面過(guò)渡區(qū)微觀結(jié)構(gòu)形貌進(jìn)行了分析，并利用BS

6、EM技術(shù)和圖形處理軟件相結(jié)合的方法對(duì)界面過(guò)渡區(qū)的孔結(jié)構(gòu)分布進(jìn)行了定量計(jì)算與表征;其次，利用SEM和能譜相結(jié)合的技術(shù)對(duì)碳納米管水泥基材料的水化產(chǎn)物進(jìn)行分析;然后，采用壓汞技術(shù)和計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)相結(jié)合的方法，對(duì)碳納米管水泥基復(fù)合材料的微孔結(jié)構(gòu)和宏細(xì)觀孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行整合分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)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(huì)對(duì)碳納米管水泥基材料微觀結(jié)構(gòu)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(yīng)，有效改善水泥基材料

7、的微結(jié)構(gòu)性能。
　　(3)建立了碳納米管水泥基復(fù)合材料宏觀力學(xué)性能與微觀結(jié)構(gòu)特征之間的聯(lián)系
　　通過(guò)研究碳納米管對(duì)水泥基復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、耐磨性、斷裂韌性等宏觀力學(xué)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(duì)其力學(xué)性能的影響規(guī)律。結(jié)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(xué)性能。隨碳納米管摻量的增加，水泥砂漿的強(qiáng)度、耐磨性和斷裂韌性提高，當(dāng)碳納米管摻量為0.5％時(shí)，水泥砂漿28d

8、抗折和抗壓強(qiáng)度分別提高了49.4％和40.8％。當(dāng)碳納米管摻量為0.2％時(shí)，水泥砂漿的磨耗值由10.1 kg/m2降至4.5kg/m2。當(dāng)碳納米管摻量分別為0.2％和0.5％時(shí)，不摻加硅灰的水泥砂漿裂紋尖端張開(kāi)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(shí)際增強(qiáng)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(diǎn):1）碳納米管摻量過(guò)低達(dá)不到閾值，或者摻量較

9、高時(shí)分散不好，碳納米管的優(yōu)異性能未得到應(yīng)有的發(fā)揮;2）納米尺度上的增強(qiáng)增韌效果無(wú)法用宏觀尺度上的增強(qiáng)增韌效果進(jìn)行衡量。
　　根據(jù)碳納米管水泥基材料微觀結(jié)構(gòu)特征的演化規(guī)律，結(jié)合其宏觀力學(xué)性能的變化，建立論了碳納米管水泥基材料宏觀力學(xué)性能與微結(jié)構(gòu)特征之間的有機(jī)聯(lián)系。
　　(4)揭示了碳納米管水泥基材料的納米力學(xué)特性
　　利用納米壓痕儀對(duì)不同碳納米管摻量下硬化水泥漿體的納米力學(xué)性能進(jìn)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(xué)行為。實(shí)驗(yàn)結(jié)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(jié)構(gòu)，提高了C-S-H凝膠的彈性模量和壓痕硬度，進(jìn)一步從納觀尺度闡釋了碳納米管的改性機(jī)理。
　　(5)闡釋了碳納米管對(duì)水泥基復(fù)合材料壓電機(jī)敏性的影響規(guī)律及機(jī)理
　　探討了不同

11、碳納米管摻量對(duì)復(fù)合材料體積電阻的影響，研究了復(fù)合材料電阻率隨載荷的變化規(guī)律，分析了復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)特征和壓電機(jī)敏性能。結(jié)果顯示，當(dāng)碳納米管摻量從0.0％增加到0.5％時(shí)，基體微結(jié)構(gòu)得到改善，水化產(chǎn)物結(jié)合較為緊密，碳納米管在基體中分散較好，基體無(wú)明顯缺陷。此時(shí)，碳納米管在水泥基體中間距較大，宏觀隧道導(dǎo)電效應(yīng)起到主導(dǎo)作用。當(dāng)碳納米管的摻量進(jìn)一步提高時(shí)，一些碳納米管相互搭接并形成導(dǎo)電通路，滲濾導(dǎo)電效應(yīng)開(kāi)始起到主導(dǎo)作用，由滲濾導(dǎo)電理論控制的復(fù)