面向海工结构阴极防护用纳米水泥基热电复合材料制备及其温差自供能性

经略海洋及双碳背景下,用阴极防护(CP)技术提升海工结构服役寿命具有重要意义,然而需外加电源额外驱动。为此本文先用水热法合成纳米二氧化锰(nMnO_(2)),然后与碳纳米管(CNTs)复掺水泥砂浆体系中,制备纳米水泥基热电复合材料(NTEC);最后将20个NTEC串联成1套热电发电模块,并结合电化学方法综合评价基于温差发电的NTEC热电模块直接用作海工结构钢筋CP系统电流供给源的可行性。结果表明:复掺有0.2wt%CNTs与5.0wt%nMnO_(2)的NTEC试件的热电系数、热电功率因数可分别达3612μV/℃和301.4μW·m^(-1)·℃^(-2),本征力学强度与耐久抗渗性得到保障;施加基于NTEC温差发电的CP,钢筋的腐蚀电位正移,腐蚀概率显著降低;施加基于NTEC热电模块的CP后能使钢筋腐蚀电流密度降低3个数量级,腐蚀电荷转移得到了抑制,腐蚀速率大为降低,实现海工结构钢筋CP的自供能,同时保障了其用作保护层的强度与耐久性。

纳米增强水泥基复合材料抗氯离子迁移及固化性能综述

先进碳基纳米材料在水泥基材料领域的渗透突破了传统水泥基材料的性能使用局限,是未来高性能水泥基复合材料研究的热门领域。然而,虽然目前关于纳米增强水泥基复合材料水化、微观、力学等性能的研究相对较多,但是针对长期耐久性能,特别是对影响钢筋锈蚀的主要因素氯盐侵蚀方面的研究相对较少,且缺少一定的深度与广度。纳米增强水泥基材料抗氯盐侵蚀性能主要体现在两个方面:一是孔隙层面,通过密实孔隙降低整体孔隙率,增加纳微观毛细孔比例,从而降低外界氯离子侵入迁移速率;二是固化层面,通过孔隙固液交界处水泥水化产物氯离子置换固化作用,吸附并降低孔隙溶液中自由氯离子含量。它们的最终目的都是在结构服役寿命内保证钢筋表面侵入的自由氯离子浓度处于锈蚀临界浓度之下,降低锈蚀风险及维护成本。深入明晰纳米增强水泥基复合材料抗氯离子迁移和固化性能及机理,对建立有效预测模型,指导并推动高抗蚀纳米增强水泥基复合材料设计、制备及应用具有重要意义。本文总结了近年来纳米增强水泥基复合材料抗氯盐侵蚀性能的研究进展,对比分析了不同维度、不同制备手段、不同化学组成等各类纳米材料分别对抗氯离子迁移性能和氯离子固化性能的影响效果及机制,同时对未来纳米增强高抗蚀水泥基复合材料的发展及应用进行了展望。

纳米SiO_(2)气凝胶水泥基复合材料中水的形态分布规律研究

为了研究纳米SiO_(2)气凝胶对水泥基复合材料水分分布机制的影响,采用LF-NMR技术对室温环境下不同掺量(0、5%、7%、10%)纳米SiO_(2)气凝胶水泥基复合材料(AIC)吸水30 min后的T2信号进行了测试,在真空饱和的条件下,采用孔隙体积内饱水度描述AIC吸水前后含水量空间变化。结果表明:AIC0、AIC5、AIC7、AIC10试件的T2谱最高峰的峰面积所占比例分别为83.0%、78.7%、79.3%、79.6%,掺入纳米SiO_(2)气凝胶降低了最高峰的峰面积;当纳米SiO_(2)气凝胶掺量由0增至10%时,AIC试件的吸附水、毛细管水及孔隙水饱水度均减小;纳米SiO_(2)气凝胶能降低AIC的自由水存储性能。

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。

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。

掺纳米TiO_2的水泥基复合材料的性能

用超声波分散的纳米TiO2与水泥复合制备具有介电特性和电磁波防护功能的水泥基复合材料。研究了掺纳米TiO2和普通TiO2的水泥基复合材料的导电性能、电磁性能和吸波性能,用电子探针、红外光谱等测试手段表征了纳米TiO2在水泥中的均匀性和稳定性。实验结果表明:纳米TiO2具有好的稳定性,掺5.0%(按质量计)纳米TiO2的水泥基复合材料的电导率达57.0×10-3S/cm,在12.5～18GHz频率范围(KU波段)内具有较好的介电性能和吸波性能,其最小反射率为-16.34dB,反射率小于-10dB的连续带宽达4.5GHz。

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。

纳米SiO_2和CaCO_3对超高性能水泥基复合材料的影响

系统研究了双掺纳米SiO2和纳米CaCO3对超高性能水泥基复合材料力学性能的影响规律,采用水化热分析、XRD、MIP和纳米压痕等多种微观分析测试手段对其水化进程及微结构进行了研究.结果表明,双掺纳米材料可进一步提升材料的各项力学性能,纳米CaCO3的最佳掺量为3%-5%.纳米SiO2的高反应活性促进了早期水泥水化的进程,与水泥水化产物Ca（OH）2反应产生C-S-H凝胶,纳米CaCO3主要起到了填充增强和晶核的作用,二者共同作用下,使得复合材料结构更为密实,孔隙率进一步降低,孔径得到细化,超高密度C-S-H凝胶大量生成,界面区得以强化,异常均匀致密的微观结构使得复合材料在宏观上体现出优异的力学性能.

纳米碳管水泥基复合材料的电阻性能

以水泥为基体、多壁纳米碳管(MWNTs)为增强组分,采用表面活性剂超声分散方法,混合成型制备了MWNTs纤维增强水泥基材料(FRCs).探讨了各组FRCs试件体积电阻率(ρv)随MWNTs质量分数(w),含水率(X),荷载(σ)的变化规律.结果表明:FRCs的ρv随w增加而逐渐降低,当w达2%时,ρv只有1.83kΩ·cm左右;除w为2%的NFC5外,其他组FRCs的X对其ρv影响显著,尤其是水分扩散梯度较大时;除空白NFC0试件外,五组FRCs试件均有一定的压敏效应,但只有w为0.5%的NFC3试件的相对ρv变化(Δρv)随着σ持续增加呈现明显而均匀的变化,且能很好地表征试件内部微裂缝发展特征过程.

碳纳米管-水泥基复合材料的力学性能和微观结构

研究了掺碳纳米管水泥砂浆的力学性能和微观结构,并与掺碳纤维水泥砂浆的性能进行了对比。低含量的碳纳米管水泥复合材料具有良好的抗压强度和抗折强度。用扫描电镜对碳纳米管水泥复合材料以及碳纤维改性水泥复合材料的微观结构进行了分析。结果表明:复合材料中碳纳米管表面被水泥水化产物包裹,同时碳纳米管水泥砂浆的结构密实。碳纤维表面光滑,在碳纤维与水泥石之间存在明显裂缝。孔隙率测试结果表明碳纳米管的掺入改善了材料的孔结构。

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。

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。

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.

纳米粒子和PVA纤维增强水泥基复合材料抗裂性能研究

采用两种纳米粒子(纳米SiO_2和纳米CaCO_3),通过水泥基复合材料抗裂性能试验,探讨了PVA纤维和纳米粒子单掺和复掺两种情况下PVA纤维用量、纳米材料种类和用量对水泥基复合材料抗裂性能的影响。研究结果表明,在PVA纤维增强水泥基复合材料中掺入纳米SiO_2,可以显著提高水泥基复合材料抗裂性能,而且在本文试验纳米粒子掺量范围内,水泥基复合材料抗裂性能随着纳米SiO_2掺量的增加不断增强;在纳米SiO_2水泥基复合材料中掺入PVA纤维,可以提高水泥基复合材料的抗裂性能,当纤维体积掺量不大于1.2%时,PVA纤维体积掺量较大的纳米水泥基复合材料具有较高的抗裂性能;纳米CaCO_3与纳米SiO_2均能增强水泥基复合材料的抗裂性能,纳米SiO_2的增强效果略优于纳米CaCO_3。

纳米SiO_(2)和PVA纤维增强水泥基复合材料的断裂性能

通过18组共90根纳米SiO_(2)和聚乙烯醇(PVA)纤维增强水泥基复合材料预制切口小梁试件的三点弯曲断裂试验,以起裂断裂韧度和断裂能作为评价指标,探讨了纳米SiO_(2)掺量、PVA纤维体积分数及石英砂粒径对水泥基复合材料断裂性能的影响.结果表明:适量的纳米SiO_(2)和PVA纤维可显著改善试件的断裂性能,在未掺纳米SiO_(2)或纳米SiO_(2)掺量为2.0%条件下,随着PVA纤维体积分数的增加,试件的起裂断裂韧度和断裂能均呈现先增后减趋势,且均在PVA纤维体积分数为1.2%时达到最大值.当纳米SiO_(2)掺量小于1.5%时,试件的断裂性能随着纳米SiO_(2)掺量的增加而提高;当纳米SiO_(2)掺量大于1.5%时,纳米SiO_(2)的掺入对试件的断裂性能有不利影响;随着石英砂粒径的减小,试件的断裂性能逐渐降低.

用纳米压痕技术表征超高韧性水泥基复合材料(ECC)的裂缝自愈合特性

为了探究ECC裂缝自愈合体系中不同物相的微观力学性能,应用纳米压痕技术对经历10个干湿循环环境后裂缝自愈合ECC体系中不同物相的荷载-位移、接触刚度-位移、弹性模量及硬度进行了研究。结果表明:当荷载相同时,压入深度大小顺序为:纤维>ITZ>SHP>基体>粉煤灰>砂子;接触刚度与压入深度近似呈线性关系;粉煤灰和砂子的弹性模量及硬度是体系中最高的,远远高于其他相,其次是基体,接下来是SHP、ITZ,最差的是纤维。

碳纳米管在水泥基复合材料中的分散方法研究进展

碳纳米管(CNTs)作为性能优越的新型纳米材料被广泛用于增强基体材料,但是其易团聚且难以分散,使得实现其在基体材料中的均匀分散成为研究的重点。详细介绍了CNTs在增强水泥基复合材料研究中的分散方法与分散机理,并比较了各种分散方法的优缺点。重点论述了超声时间、酸处理时间、表面活性剂种类与掺量等因素对CNTs分散效果的影响,并讨论了评价CNTs分散效果的表征方法。将CNTs均匀分散到水泥基体中,可以显著提高复合材料的各项力学性能。

纳米SiO_2和PVA纤维增强水泥基复合材料抗冻性能

为研究纳米SiO_2和PVA纤维增强水泥基复合材料的抗冻性能,通过快冻法试验测得了各组试件经冻融循环后的相对动弹性模量,对单掺PVA纤维与复掺纳米粒子和PVA纤维水泥基复合材料的抗冻性能进行了对比,探讨了纳米SiO_2与PVA纤维对水泥基复合材料抗冻性能的影响。结果表明:在一定掺量范围内掺加PVA纤维可以提高水泥基复合材料的抗冻性能,但过大掺量(>0.9%)的PVA纤维会对水泥基复合材料的抗冻性产生不利影响;在PVA纤维水泥基复合材料中掺入纳米SiO_2可以明显提高其抗冻性能,在本文试验纳米SiO_2掺量范围内,其抗冻性随着纳米SiO_2掺量的增加不断增强;在掺加2%纳米SiO_2的水泥基复合材料中掺加一定掺量(<0.9%)的PVA纤维可以提高水泥基复合材料的抗冻性。

纳米粒子和PVA纤维增强水泥基复合材料抗渗性能研究

为研究PVA纤维掺量、纳米粒子掺量和种类对水泥基复合材料抗渗性能的影响,通过抗渗性试验测得了各组抗渗试件的渗水高度。纳米粒子的质量掺量分别为0.5%,1%,1.5%,2%,2.5%,PVA纤维的体积掺量分别为0.3%,0.6%,0.9%,1.2%,采用的纳米粒子包括纳米Si O2和纳米Ca CO3。研究结果表明,纳米Si O2可以显著提高PVA纤维增强水泥基复合材料抗渗性能,而且在纳米Si O2掺量低于2.5%的范围内,抗渗性能随着纳米Si O2掺量的增加不断增强;PVA纤维可明显提高纳米水泥基复合材料的抗渗性能,当纤维体积掺量不大于1.2%时,纤维体积掺量较大的纳米水泥基复合材料具有较高的抗渗性能;纳米Ca CO3与纳米Si O2均能提高水泥基复合材料的抗渗性能,纳米Si O2的提高效果略优于纳米Ca CO3。