碳纳米管水泥基复合材料的研究进展及其发展趋势

碳纳米管具备超强力学性能、极高的长径比、优异的导电性能和机敏性以及无损改性等特点。目前,碳纳米管复合材料已经广泛用于能源、医药、环境和电子领域。综述了国内外关于碳纳米管水泥基复合材料的制备、分散、微观结构、宏观性能和多功能特征等研究进展,并结合本课题组的研究成果,阐述了当前碳纳米管水泥基复合材料研究中存在的主要问题及其未来发展趋势。

多壁碳纳米管水泥基复合材料电热融冰性能研究

为了研究碳纳米管水泥基复合材料的电热融冰性能,采用碳纳米管掺量为0.05%的水泥基复合材料,研究其不同龄期的电阻率,并进行融冰实验模拟,测试其不同电压和不同试件尺寸下的融冰质量。结果表明:碳纳米管水泥基复合材料的电阻率随着龄期的增大而增大;融冰质量随着试件尺寸和施加电压的增大而增大,给试件施加60 V电压时的融冰质量比无电压时增加48.1%。碳纳米管掺量为0.05%的水泥基复合材料的电热特性受龄期、试件尺寸和电压的影响,外加电压为60 V时材料的融冰性能优良,可以在200 min内融化60 g左右的冰块。

碳纳米管水泥基复合材料高温力学性能实验研究

研究多壁碳纳米管(MWCNTs)掺量(0wt%、0. 05wt%、0. 08wt%、0. 10wt%、0. 20wt%)对碳纳米管水泥基复合材料(CNT/CC)高温力学性能的影响。分别测试了常温时以及200℃、400℃、600℃和800℃高温后CNT/CC净浆试件的质量损失、抗折强度和抗压强度。结果表明:MWCNTs的加入能够降低水泥基体内部蒸汽压和温度梯度,有效地提高水泥基体抗高温爆裂能力。MWCNTs的掺入可在一定程度上降低水泥基材料的高温质量损失,但掺量过大时由于催化剂的热分解,质量损失会有所增加。热作用时,MWCNTs表面和端部易产生一些亲水基团和缺陷位,在一定程度上缓解了水泥基复合材料高温性能的劣化。800℃后,CNT/CC的相对残余抗折强度和相对残余抗压强度分别约为30%~35%和45%~50%。

环境及疲劳荷载对碳纳米管水泥基复合材料压敏性能的影响

采用四电极法测量碳纳米管水泥基复合材料的电阻及循环荷载作用下电阻率的变化规律,研究环境及疲劳荷载对复合材料的电阻率及压敏性能的影响规律。主要研究了温度(20,30,40,50℃)、含水率(0%~6.4%)、温度-含水率耦合以及疲劳荷载作用对复合材料的导电性与压敏性的影响。结果表明,环境及疲劳荷载对于复合材料电阻及其压敏性具有显著的影响。复合材料的电阻率随含水率的增加而降低,当复合材料含水率从1.3%提高到5.8%,其电阻率降低46%;在荷载作用下,其电阻率变化随着含水率的增加呈现先增加后减小的趋势;随着温度的增加,复合材料电阻率降低,压敏性提高,在20℃到50℃范围内复合材料电阻率及循环荷载下电阻变化率均与温度呈良好的线性关系,相关系数均超过0.99,当温度从20℃升高到50℃,复合材料电阻率降低35%,荷载作用下电阻变化率提高84%,表明高温情况下复合材料具有更好的压敏性;在温度-含水率耦合作用下,随着含水率增加,压敏性对温度的灵敏度呈近似直线下降趋势,相关系数为0.915;复合材料的电阻率及压敏性随着疲劳次数的增加而增加。复合材料电阻及压敏性的变化主要是由隧道效应及内部微裂纹发展造成的。

多壁碳纳米管水泥基复合材料的压敏性能研究

采用聚羧酸系减水剂分散多壁碳纳米管（MWCNTs）,利用四电极法研究了MWCNTs掺量对28 d龄期MWCNTs水泥基复合材料导电特性和在循环荷载作用下压敏性能的影响以及不同最大加载力和加载速率下材料压敏性能的变化。研究表明：随MWCNTs掺量的增加,复合材料的电阻率逐渐降低,极化时间逐渐减少。当MWCNTs的掺量在0.06wt%~0.3wt%范围时,复合材料电阻率的变化最大,在循环荷载作用下也表现出良好的压敏性。当加载至试块破坏的情况下,最大电阻变化率可达到70%。随着加载力和加载速率的增加,电阻率的变化率均逐渐变大。本项研究对于实现混凝土材料的智能化以及工程结构检测的实时化具有重要意义。

用于电磁波吸收的碳纳米管水泥基复合材料

采用弓形法对多壁碳纳米管(MWCNTs)水泥基复合材料的吸波性能进行了实验研究。结果表明,当MWCNTs掺量为0.6%(质量分数)时,厚度为25mm的试样在2.9GHz处获得最强吸收峰值-28dB,并能够在2～8GHz范围内对出现在吸收峰值附近的电磁波进行充分吸收;厚度为35mm的试样在8～18GHz表现出良好的宽频吸波性能。当MWCNTs掺量为0.9%(质量分数)时,水泥基复合材料在8～18GHz低于-10dB的带宽达到7.1GHz。力学强度测试结果表明MWCNTs在一定掺量范围内改善了水泥基材料的力学强度,但掺量的继续增大会导致力学强度的下降。MWCNTs掺量为0.9%(质量分数)的水泥砂浆抗压强度为60.2MPa,抗折强度为10.2MPa,虽然较空白试样有所下降,但仍有较高的力学强度。

基于数值模拟的碳纳米管水泥基复合材料导电机理分析

通过建立碳纳米管水泥基复合材料的代表性体积单元模型,基于有限元法进行了有效介质方程导电模型的拟合和感知性能的计算,得到碳纳米管水泥基复合材料在荷载作用下的应力与体积电阻率的关系,在此基础上了分析了碳纳米管水泥基复合材料的导电机理. 研究结果表明,碳纳米管体积掺量为1.50%时,随碳纳米管直径减小及长径比增大,有限元数值解的有效介质方程拟合值变化不大,这是因为1.5%的掺量已超过渗流阈值且有限元分析只考虑接触导电;当碳纳米管的体积掺量在0.31%-1.33%范围内时,碳纳米管水泥基复合材料的感知性能满足Simmons隧道效应普适方程.

多壁碳纳米管水泥基复合材料的制备与力学性能研究

以多壁碳纳米管(MWCNT)为增强组分,采用分散剂和超声分散方法制备了碳纳米管水泥基复合材料。研究了水灰比、碳纳米管掺加量对水泥基复合材料抗折强度和抗压强度的影响。结果表明:在一定范围内,当碳纳米管掺量一定时,随着水灰比的增加,水泥基复合材料的抗折强度有所提高,但抗压强度随之降低;当水灰比一定时,碳纳米管的掺加量存在一个最优值,为0.4%。在此掺量下,水泥基复合材料的抗折、抗压强度最高可分别提高45.6%、28.5%。通过扫描电子显微镜对制品断面进行微观分析,表明适量碳纳米管的掺入可以有效改善材料的孔结构和裂纹,并起到桥联作用,从而提高了水泥基材的力学性能。

碳纳米管水泥基复合材料压阻效应的多尺度研究进展

碳纳米管水泥基复合材料具有多尺度的非均一性,其宏观尺度的性能是其各级低阶尺度本质的偶联映射,故而多尺度分析碳纳米管水泥基复合材料性能机理至关重要。本文从宏观、细观、微观和纳观四个尺度,综述了碳纳米管水泥基复合材料压阻效应的多尺度试验、机理和模型等方面的研究进展。总结了现有研究在骨料、孔隙结构、界面过渡区、外部环境因素以及理论模型等方面存在的局限或不足,并提出微纳观结构、理论模型等方面需进一步研究。

石墨烯和碳纳米管水泥基复合材料研究进展

石墨烯和碳纳米管均为纳米材料,具有高强度、高导电性、高导热性等优点。石墨烯和碳纳米管应用到水泥基复合材料中能提高其强度、改善其耐久性、并使水泥基复合材料具有导电性和压敏性能。本文总结了石墨烯和碳纳米管的打散和氧化方法,归纳了石墨烯和碳纳米管对水泥基复合材料的增强增韧效果和机理,分析比较了其对水泥基复合材料耐久性、导电性和压敏性的影响,并总结了几种常用的细微观研究手段,为开展进一步研究提供参考。

碳纳米管水泥基复合材料的力学性能和抗冻性能研究

作为新型纳米材料,碳纳米管(MWCNTs)已经应用于水泥基材料中用以改善水泥基材料性能。本文采用十六烷基三甲基溴化铵作为分散剂将碳纳米管均匀分散于水泥材料中制备成碳纳米管水泥基复合材料,并细致研究了其力学性能和抗冻性能。结果表明碳纳米管的加入能够有效的增加水泥基材料的力学性能和抗冻性能。当碳纳米管的掺量为0.1%时,碳纳米管水泥基复合材料的力学性能达到最大,其抗折强度和抗压强度分别为17.5MPa和92.3 MPa。在300次冻融循环过程中,碳纳米管水泥基复合材料的质量损失率和动弹模量变化率偏低,表明碳纳米管水泥基复合材料的抗冻性得到了增强。SEM微观分析表明,碳纳米管在水泥基材料中起到了桥联和拔出效应,能够有效的延缓和阻止水泥基材料受到外界的破坏。

碳纳米管水泥基复合材料研究进展

碳纳米管是近几年国际新材料领域的研究前沿和热点,作者结合自己的研究详细综述了碳纳米管水泥基复合材料的国内外研究进展,分析了当前研究中存在的问题、碳纳米管水泥基复合材料的发展趋势及应用前景,并就今后研究的方向给出了建议。

碳纳米管水泥基复合材料的研究综述

在广大学者的共同努力下,关于碳纳米管水泥基复合材料的性能研究越来越多,已取得了一些研究成果。基于此,本文对碳纳米管在水泥基复合材料中的应用研究进行综述,包括碳纳米管在水泥净浆中的应用研究,碳纳米管在混凝土中的应用研究,碳纳米管在砂浆中的应用研究。

碳纳米管水泥基复合材料电学性能数值模拟

采用ANSYS12.0和蒙特卡洛随机方法构建了碳纳米管水泥基复合材料的有限元模型,并基于有限元法分析了碳纳米管长径比、直径和掺量对复合材料有效电阻率的影响,并在此基础上通过有效介质方程对有效电阻率数值解和电阻率实验值进行了拟合。数值计算结果表明,碳纳米管水泥基复合材料有效电阻率的有限元解与解析解较为一致,证明采用有限元法进行电学分析具有可行性;碳纳米管水泥基复合材料有效电阻率随碳纳米管掺量和碳纳米管长径比增加而减小,随着碳纳米管直径的减小而减小;有效介质方程对碳纳米管水泥基复合材料有效电阻率实验值和有限元数值解拟合曲线变化趋势是一致的。

碳纳米管水泥基复合材料的研究进展

近年来,碳纳米管(CNTs)在传统胶凝材料中的应用愈来愈受到人们的重视。通过添加适量的CNTs,可以使胶凝材料的一些性能得到有效改善。本文综述了国内外有关CNTs在水泥基材料中的应用研究进展,主要探讨了CNTs对水泥基材料的力学性能、耐久性及微观结构的影响,掺加活性物质对CNTs/水泥基复合材料性能的影响,并且总结了当前研究中所存在的一些问题,为今后的研究前景提出了一些建议。

碳纳米管水泥基复合材料的性能探讨

碳纳米管自从被发现以来,以其优异的性能在物理、化学和材料等研究领域引起广泛关注。针对近年来国内外学者对碳纳米管增强水泥基材料物理力学性能进行的相关研究,介绍了碳纳米管在水泥基体中的分散性及其增强复合材料存在的问题,详细阐述了碳纳米管水泥基复合材料的力学性能、耐久性、导电性和自感知性以及吸波性能,为水泥基复合材料的功能性研究和应用提供了借鉴。

改性碳纳米管水泥基复合材料热电非平衡融冰性能

采用压制成型及浇筑成型相结合的方式,制备了平板状热电水泥基复合材料融冰实验模块。通过恒流电源与数据记录仪组成的测试装置监测了室温下单块模块两侧以及水泥基复合材料融冰模块两侧的温度变化及电压变化,研究了水泥基复合材料两侧的温度随通电电流大小及通电时间的变化规律,计算了试样两侧的平均温差以及额定时间内所产生的焦耳热。随着通电电流逐渐变大,两侧升温速率逐渐加快,温差也逐渐增大。水泥基复合材料(N型半导体)中的电子载流子随着电场强度的递增,其在电场中的迁移越发明显,即帕尔贴效应逐渐增强。由于水泥基复合材料与环境之间存在热交换,遂其表面温度存在上限。于冰箱中模拟了融冰实验,当通电电流分别为1.0 A、2.0 A、3.0 A时,冰块完全融化的温度虽有所差别,但实测的融冰时间与预测值基本一致。当通电电流为3 A时,正负极两侧的融冰时间相差23 min。因此,温差路面的研究对路面融冰技术的发展具有一定的指导意义。

碳纳米管水泥基复合材料阻尼性能研究

为了研究碳纳米管不同掺量下水泥基复合材料的阻尼性能和力学性能,采用了动态力学分析仪研究其在不同应变下的阻尼,采用抗压抗折试验测试力学性能变化,并结合扫描电镜及压汞试验,探究力学性能变化原因和阻尼增强的微观机理。研究表明:28 d龄期时,掺量为0.1%的碳纳米管水泥基复合材料的抗折强度相比对照组提高43%,抗压强度下降15%,损耗因子提高55.9%,损耗模量提高8.5%。碳纳米管在水泥基体中可以桥联水化产物,延缓裂缝的发展。表面活性剂TNWDIS的抑制水化和引气作用将导致碳纳米管水泥基复合材料抗压强度的降低。碳纳米管能在水泥基体中建立一种可触发的界面摩擦耗能机制,触发的应变阈值约为0.03‰~0.04‰。

碳纳米管水泥基复合材料物理力学性能试验研究

目前,关于碳纳米管水泥基复合材料物理性能和力学性能的研究还不系统。采用多壁碳纳米管(multi-walled carbon nanotubes,MWCNTs)水性浆料作为增强相,通过试验研究了该材料对水泥标准稠度用水量、凝结时间及安定性的影响;同时对比研究了直接添加和超声处理两种方式制备的复合材料试件的力学性能。结果表明:MWCNTs水性浆料的加入可使水泥的标准稠度用水量呈近似线性增加,初凝时间和终凝时间均延长。MWCNTs能够有效地提高复合材料的力学性能,经超声处理制得的试件28 d抗折强度和抗压强度分别提高了25. 5%和10. 3%,直接添加的分别提高了19. 8%和7. 2%,表明超声处理的MWCNTs可更充分地发挥其增强作用。

石墨烯-羧基化碳纳米管水泥基复合材料的高温力学性能研究

测试了不同质量比的石墨烯-羧基化碳纳米管(G-CNT)水泥基复合材料在25、200、400、600℃下的质量损失、抗压强度和抗折强度。结果表明:400℃以内,添加G-CNT复合材料后水泥基复合材料的残余力学性能显著提高,对质量损失的影响较小,水泥基复合材料的耐高温性能提高;400℃时,掺入0.10%CNT和0.05%G的水泥基复合材料的抗压强度仅下降了21.43%;400~600℃时,结合XRD和SEM结果可知,水泥基复合材料的微观结构严重破坏,力学性能显著下降;G5C10组为最佳配比,25~400℃时,在最佳配比下,G、CNT复掺后可以延缓或抑制因为高温爆裂引起的微孔隙和裂缝的扩散,形成致密化结构,进而提高水泥基复合材料的耐高温性能。