碳纤维增强水泥基复合材料的力学性能研究进展

碳纤维(Carbon Fibers, CFs)作为增强相运用在复合材料中一直是研究热点。综述了CFs的种类、分散方式及其在水泥基复合材料中分散性的评估方法、CFs表面涂层改性的制备工艺及其优缺点。通过改善CFs在水泥基体中的分散性和对CFs表面进行涂层改性处理,可以制备性能良好的碳纤维增强水泥基复合材料（CFRC）。同时,对CFRC力学性能的影响因素进行了系统的探讨及研究,包括水灰质量比、养护龄期、成型工艺、硅粉掺量、外加剂、CFs掺量和长度等。总结出进一步提高CFRC力学性能的关键在于改善CFs在水泥基体中的分散性和相容性,并为今后制备高性能CFRC提供参考。     

碳纳米管的力学特性及其在改善水泥基材料性能中的应用

通过理论分析和数值模拟研究了碳纳米管的力学性能参数和其在轴向压缩以及弯曲荷载作用下的屈曲行为,并进行了用碳纳米管提高水泥基复合材料强度和韧性等力学性能的实验.结果表明:当好的分散效果被获得后,水泥基复合材料的强度和韧性可以得到明显的改善,而碳纳米管容易发生屈曲的特性是影响其作为理想增强材料的一个内在原因.     

PE纤维掺量对水泥基复合材料力学性能的影响

针对PE纤维掺量对水泥基复合材料力学性能的影响,开展不同PE纤维掺量下水泥基复合材料的抗压强度、抗折强度、弯曲韧性、直接拉伸性能的试验研究,分析PE纤维水泥基复合材料的开裂模式,通过环境扫描电镜观察和分析薄板弯曲试验中PE纤维的破坏模式。研究表明,不大于2%的PE纤维掺量对水泥基复合材料的抗压强度没有明显改变;当PE纤维掺量大于1%后,PE纤维水泥基复合材料薄板在弯曲荷载作用下表现出极强的韧性特征和变形能力;当纤维掺量大于1.5%时,在直接拉伸荷载作用下PE纤维水泥基复合材料表现出显著的应变硬化特征,并且呈现多缝开裂的稳态破坏模式.     

超声波振荡对碳纳米管形态的影响

采用TX-10表面活性剂作为分散剂,并用超声波振荡方法对碳纳米管（CNTs）进行了分散处理。利用透射电镜（TEM）观察了超声波振荡时间对碳纳米管分散状态的影响,并评价了碳纳米管的损伤。此外,通过静置悬浊液观察沉淀的方法,研究了该体系的稳定性。结果表明,CNTs的直径越小其抗弯截面系数也越小,在超声波侧向冲击的作用下产生的弯曲正应力越大,超声波振荡造成的损伤也越严重,最终导致较细纳米碳管在剪切的作用下长度急剧下降,这也是影响CNTs分散性及其悬浊液稳定性的重要原因。     

可再分散胶硫铝酸盐水泥基耐海水材料研究

目的应用无机、有机材料复合理论，研究用于人工渔礁制作中木船表面处理的可再分散胶水泥基耐海水材料．方法通过5％以内的不同掺量聚合物乳液和可再分散聚合物粉末对水泥基材料改性效果的对比，掺有机硅防水剂对聚合物改性水泥净浆性能的影响、涂覆于木材表面的水泥净浆硬化后涂层的耐海水等性能的研究，特别对高性能可再分散胶水泥基耐海水材料于木材粘结后在海水中浸泡28d的粘结力、耐磨性、抗冲击性及开裂情况进行了测定和现场观察与评价．结果研究表明可再分散胶水泥基耐海水材料是一种高性能的水泥基复合材料，尤其是与木材的粘结性能十分优异；而在力学性能方面，可再分散胶水泥基复合材料也比聚合物乳液水泥基复合材料有所提高．结论掺占水泥质量5％的可再分散聚合物粉末、2％有机硅的水泥净浆涂覆于木材表面，硬化后会形成耐海水性能良好的涂层，可作为船体表面保护层，满足船只沉降后长期经海水浸泡的要求．     

纳米复合材料超声波焊接制备下剪切强度及组织研究

采用超声波焊接方法制备碳纳米管增强铝基复合材料,研究试件表面处理状态、焊接时间和焊接压力等工艺参数对焊接接头剪切强度的影响规律。试验结果表明:碳纳米管的加入具有较好的增强效果,提高了复合材料的力学性能;试件表面加乙醇处理、焊接时间120 ms及焊接压力17.5 MPa时,复合材料的接头剪切强度最高为11.12 MPa,相比基体材料提高28.6%;通过金相观察、扫描电镜(SEM)分析,发现碳纳米管很好地嵌入到了铝合金基体中,起到增强效果。     

聚对苯二甲酸丁二醇酯/碳基纳米复合材料研究进展

综述了以碳纳米管、石墨、碳纤维以及石墨烯等为代表的碳基纳米材料共混改性PBT的制备方法,总结了其对复合材料分散性、结晶性和力学性能的影响;同时,从分散角度对比了碳基纳米填料化学改性前后与PBT基体之间的界面相互作用方式及对综合性能的影响;最后展望了碳基纳米填料在复合材料领域未来的发展和面临的挑战。     

碳纳米管/环氧复合材料的摩擦磨损性能研究

研究了多壁碳纳米管(MWNTs)含量、超声分散时间、超声分散方式对环氧复合材料摩擦磨损性能的影响,通过扫描电镜(SEM),透射电镜(TEM)分析了材料表面磨损形貌、MWNTs分散程度,并探讨了复合材料摩擦磨损机理.结果表明:MWNTs添加量为1.5%时,MWNTs/Epoxy复合材料比环氧树脂摩擦系数降低17.8%,磨耗率降低91.7%;加入MWNTs降低了复合材料粘着磨损与疲劳剥落;延长超声波处理时间及采用高功率超声波仪器能够有效提高MWNTs分散程度,提高复合材料摩擦磨损性能.     

养护温度对高延性水泥基材料力学性能的影响

研究养护温度对高延性水泥基复合材料性能的影响,分析养护温度在20、40、60和80℃时水泥基复合材料的抗弯性能、抗压强度、抗折强度及裂缝分布特点.结果表明,养护温度越高,高延性水泥基复合材料的早期跨中挠度越小;养护温度高于40℃时,试件的跨中挠度和韧性指数随龄期延长无明显变化;高养护温度能显著提高高延性水泥基复合材料的早期抗压强度和抗折强度,龄期对高温养护条件下高延性水泥基复合材料的抗压、抗折强度影响不大;粉煤灰掺量相同时,常温养护下高延性水泥基复合材料的裂缝更加细密均匀;养护温度为60℃时,粉煤灰掺量提高至80%,高延性水泥基复合材料的韧性显著提高,28d抗压强度可达70MPa.     

上浆处理对PVA纤维增强水泥基复合材料力学性能的影响

为提高水泥基复合材料的韧性,通过在高强聚乙烯醇纤维表面上浆的方式,调控高强聚乙烯醇纤维与水泥之间的界面粘结状态,考察了上浆前后和上浆量对水泥基复合材料抗压和抗弯性能的影响。结果表明:高强聚乙烯醇纤维表面上浆后,2%体积掺量聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料的抗压强度稍有增加,抗弯强度有一定程度下降,但抗弯断裂应变和抗弯断裂能大幅度提高,抗弯时受拉侧呈现多裂纹开裂模式;上浆率过高或过低,水泥基复合材料抗弯韧性均有下降。     

巴基管水泥基复合材料的I—V特性及力学强度

采用SAA超声分散法制备了4种多壁巴基管（NMWT）悬浮分散液,研究了PAA对不同NMWT掺量的分散效果;然后将相应的悬浮液混合到水泥中,搅拌成型制备了NMWT水泥基复合材料（NFRC）．采用四电极法测试了NFRC的I-V特性,之后研究了NFRC的抗压强度,并与空白试块的相应性能进行了对比．结果表明,PAA双亲结构特征产生的位阻及静电排斥作用能获得NMWT的较好分散性,但改善效果有限．NMWT的加入能一定程度改善NFRC的I-V特性及力学强度：随着NMWT掺量增加,其电阻率（ρ）呈先降后上升而后又降的趋势;其抗压强度（σc）呈先被增强后持续削弱的趋势．     

巴基管水泥基复合材料的I V特性及力学强度

采用SAA超声分散法制备了4种多壁巴基管 （NMWT）悬浮分散液,研究了PAA对不同NMWT掺量的分散效果;然后将相应的悬浮液混合到水泥中,搅拌成型制备了NMWT水泥基复合材料 （NFRC）.采用四电极法测试了NFRC的I V特性,之后研究了NFRC的抗压强度,并与空白试块的相应性能进行了对比.结果表明,PAA双亲结构特征产生的位阻及静电排斥作用能获得NMWT的较好分散性,但改善效果有限.NMWT的加入能一定程度改善NFRC的I V特性及力学强度:随着NMWT掺量增加,其电阻率 （ρ）呈先降后上升而后又降的趋势;其抗压强度 （σc）呈先被增强后持续削弱的趋势.     

Porosity and pore size distribution measurement of cement/carbon nanofiber composites by 1H low field nuclear magnetic resonance

The dispersion effect of carbon nanofibers （CNFs） in aqueous solution and the mechanical properties, porosity, pore size distribution and microstructure of CNFs reinforced cement-based composites were investigated in this paper. To achieve effective dispersion of CNFs, a method utilizing ultrasonic processing and a commercially surfactant were employed. CNFs were incorporated to cementitious materials with the addition of 0.1 wt% and 0.2 wt% of cement with a water/cement ratio of 0.35. The mechanical properties of CNFs/ cement composites were analyzed, the porosity and pore size distribution were characterized by ^1H low field nuclear magnetic resonance （NMR）, and the microstructure was observed by scanning electron microscopy （SEM）. The results indicate that the optimum concentration ratio of MC to CNFs is 2：1 for dispersing in aqueous solution. Moreover, in the field of mechanical properties, CNFs can improve the flexural strength and compressive strength. The increased mechanical properties and the decreased porosity of the matrices correspond to the increasing CNFs content and CNFs act as bridges and networks across cracks and voids.     

超声辐照制备聚苯胺/碳纳米管复合微管

利用超声空化产生的强烈粉碎、分散等作用,在实现碳纳米管(CNTs)纳米分散的同时通过化学氧化法聚合单体苯胺,制备了聚苯胺(PANI)包覆CNTs结构的复合微管。用苯胺浸润CNTs解决了CNTs难于分散在HCl溶液中的问题。通过调节单体苯胺和CNTs的用量比调控PANI/CNTs复合微管的管径。XPS测试表明CNTs不影响PANI的掺杂度,但有利于稳定PANI的醌环结构。CNTs的加入提高了PANI的电性能,CNTs含量为12.82％时,PANI/CNTs复合材料比纯PANI的电导率高9.5倍。     

纳米碳管水泥基复合材料的DC I-V及AC阻抗特性

结合表面活性剂及超声分散方法将0.1%的多壁纳米碳管（MWNTs）掺入水泥基体中,浇筑成型纳米碳管水泥基复合材料（MWNTs/CC）.分别采用DC电源、AC信号源供电,四电极法测试MWNTs/CC及空白参比（Plain/C）试件的DCⅠ-Ⅴ及AC阻抗模图.相比于Plain/C,MWNTs/CC试件的DCⅠ-Ⅴ曲线斜率与线性度有明显的提高;在10^2～10^3Hz的AC频率区间,其AC阻抗模也有显著的降低.表明少量长径比高、电导性佳的MWNTs纤维,在外加电场的作用下就能通过其优良的宏观隧穿效应实现在介电水泥基体中相互导通.     

Effect of Surfactant Stabilizers on the Distribution of Carbon Nanotubes in Aqueous Media

The results of a study on the homogeneity of suspensions are described considering the effect of different types of surfactant stabilizers and their concentrations on the uniform distribution of a carbon nanotubes (CNTs)-based modifying additive to construction materials in an aqueous medium. This problem was solved herein by using surfactants and ultrasound. The sonication treatment of CNTs particle agglomerates allowed for dispersing their globules and achieving a 15-20-fold decrease in their average size, for which it became possible to make better use of the CNTs as cement modifier. As a result of the experimental studies carried out, the effect of the surfactant type and concentration promoting uniform distribution of the CNTs in the bulk of the suspension and, correspondingly, in the structural composite matrix was revealed. The CNTs-based additive improved the physical-mechanical and operational characteristics of the material.     

Effects of carbon nanotubes on mechanical and 2D-3D microstructure properties of cement mortar

To study the influence of multi-wall carbon nanotubes （MWCNTs） on the mechanical and microstructural properties of cementitious composites, 0.00, 0.02, 0.08, 0.10, and 0.20 wt% of multi-wall carbon nanotubes were added into cement mortar, in which the cement-sand ratio was 1：1.5. The flexural and compressive strengths of cement mortar at the age of 3, 7, 28 and 90 d and the fracture performance at the age of 28 d were determined, its 2D micrograph was tested by means of SEM, and the 3D defects distribution was firstly determined with or without CNTs by means of XCT （X-ray computerized tomography）. The results showed that 0.08 wt% of CNTs improved the compressive strength and flexural strength by 18% and 19~A, respectively, and a significant improvement of its fracture property was observed. Moreover lower addition of carbon nanotubes to cement mortars can improve its microstructure and decrease the defects significantly compared to the cement mortar without CNTs. With the increase of the content of CNTs, the mechanical properties of cement mortars presented to be declined largely due to the agglomeration of CNTs.     

溶液共混法制备聚氨酯/碳纳米管复合材料的工艺研究

采用超声分散溶液共混法制备出聚氨酯/碳纳米管复合材料,探讨了聚氨酯溶解剂、碳纳米管分散剂以及成型工艺对复合材料的影响。结果表明:聚氨酯溶解液宜选用体积比为1∶1的四氢呋喃和N,N-二甲基甲酰胺,其溶解力为20 mL溶液72 h完全溶解1 g聚氨酯;碳纳米管分散液宜采用N,N-二甲基甲酰胺,超声分散时间为2.0 h;成型工艺宜采用混合溶液加热后放入真空干燥箱中干燥,再置于空气中凝固,得到表面平滑的聚氨酯/碳纳米管复合材料。     

提高混凝土韧性与抗裂性的研究

通过由单矿物、硅酸盐水泥组成复合胶凝材料,在大量强度试验的基础上,优化单矿材料的掺量及比例,同时进行了该胶凝材料所配制混凝土力学性能试验,从理论上分析了掺入单矿的胶凝材料所配制的混凝土抗拉强度高的原因及其作用机理．