碳纤维水泥基复合材料电学性能研究进展

掺入碳纤维对提高水泥基材料的电导率有很大的作用.综合评述了近十年来碳纤维水泥基复合材料力电、电热性能的研究进展.近年来对碳纤维水泥基材料的研究表明,这类材料受载后电阻率将发生明显变化,试件通电后可以作为发热元件使用,并且其热电效应可以将热能转变成电能.认为今后对碳纤维水泥基复合材料的研究重点应放在提高测量精度和电磁屏蔽等方面,并开发材料的新性能.     

磷酸盐水泥碳纤维复合材料的导电性能研究

以高掺量粉煤灰磷酸盐水泥为基体,短切碳纤维为功能材料,制备出了磷酸盐水泥碳纤维复合材料(PCFC),同时制备了碳纤维硅酸盐基复合材料(CFRC),并利用压力试验机、交流电桥和SEM对二者的基本力学性能、导电性能及内部碳纤维分布进行了对比研究。此外还考察了碳纤维掺量、龄期对PCFC导电性能的影响。结果表明,PCFC相比CFRC在同等碳纤维掺量的情况下力学增强效果更好、导电性能更为优越;机理分析表明PCFC中存在二次"渗流"现象,而CFRC试体中则没有。SEM照片显示碳纤维掺量较高时,PCFC中的碳纤维分散得更好;龄期实验结果表明,当碳纤维掺量超过1.4%时,龄期对PCFC的导电性影响较小,具有良好的导电稳定性。     

碳纤维水泥基材料的机敏特性研究

水泥基材料是一种高电阻率的惰性材料,通过掺入一定体积含量(0.2 vol%~1.2 vol%)的短切碳纤维,可显著提高其电导率。本文作者研究了碳纤维水泥基材料表观电导特性与其内部微观结构的关系,探讨了电阻率的变化与材料所受外部荷载的关联性。结果表明碳纤维水泥基材料具有实时诊断内部损伤的机敏性:当水泥基材料内部裂纹产生或扩展时,表现为材料电阻率上升;而当水泥基材料内部裂纹闭合时,其电阻率下降。碳纤维水泥基材料的电阻变化与所受荷载呈良好的线形关系;而不含碳纤维的普通水泥基材料在整个受荷过程中,其电导特性则无明显变化。碳纤维水泥基材料电导特性的变化反映了水泥基材料内部损伤状况丰富的信息,根据这一特性可以及时预报水泥基材料内部潜在的损伤状况,有效地防止灾难性的破坏。     

碳纳米管-碳纤维/水泥基材料微观结构和热电性能

研究了碳纳米管-碳纤维/水泥基材料的微观结构以及碳纳米管-碳纤维/水泥基材料升温与降温过程中的热电性能。实验结果表明,当水泥基材料中碳纳米管掺量较低时(碳纳米管掺量占水泥质量百分比不高于0.5%),碳纳米管能有效改善水泥基体性能,密实基体结构。在碳纤维水泥基材料中掺入碳纳米管能有效提高和改善复合材料热电性能;当碳纳米管掺量为水泥质量0.5%,水泥基材料热电势率最多能提高260%,达到22.6μV/℃。与此同时,碳纳米管掺入能增强热电效应中温差电动势与温差关系的线性规律和可逆性规律。     

纳米碳纤维增韧水泥基复合材料的力学性能和耐久性能研究

以普通硅酸盐水泥P.O 42.5为基体材料,不同掺杂量(0,0.4%,0.8%和1.2%(质量分数))的纳米碳纤维为增强相,制备了纳米碳纤维增韧水泥基复合材料,研究了纳米碳纤维的掺杂量对水泥基复合材料晶体结构、力学性能和耐久性能的影响。结果表明,纳米碳纤维的掺杂在水泥基复合材料中未出现新的水化产物,但加速了水化反应的进行;纳米碳纤维的“连接”作用使水泥基复合材料的孔结构变得致密,裂纹和孔隙减少;随着纳米碳纤维掺杂量的增加,水泥基复合材料的抗压强度和抗折强度先增大后减小,当纳米碳纤维的掺杂量为0.8%(质量分数)时,水泥基复合材料28 d的抗压强度和抗折强度均达到了最大值,分别为82.4和13.1MPa;采用单面盐冻法对水泥基复合材料进行抗冻性能测试,发现纳米碳纤维的掺杂改善了水泥基复合材料的抗冻性能,当纳米碳纤维的掺杂量为0.8%(质量分数)时,水泥基复合材料在28次冻融循环后单位面积质量损失量最小为0.114 kg/m²。综合力学性能和耐久性能分析可知,纳米碳纤维的最佳掺量为0.8%(质量分数)。     

气相生长碳纤维增强水泥基复合材料的制备及性能

研究了脱油沥青(De-oiled asphalt)基气相生长碳纤维(VGCFs)增强水泥基复合材料的制备方法及其性能。以脱油沥青作原料,采用化学气相沉积法(CVD)制备出气相生长碳纤维,以此纤维制备水泥基功能复合材料。结果表明:低含量VGCFs的碳纤维增强水泥基复合材料具有良好的抗压强度和导电性能,在VGCFs的掺量由0增至0.6 %范围内,随着VGCFs掺量的增加,碳纤维增强水泥基复合材料的电阻率下降,抗压强度提高。当VGCFs为0.4 %时,VGCFs水泥基复合材料电阻率降低2个数量级,从3.25 ×105 Ω·cm 降为1.49 ×103 Ω· cm ,抗压强度提高28.8 %,为最佳掺量。      

碳纤维阳极表面处理对CF/MDF水泥复合材料性能影响研究

实验结果表明,碳纤维的阳极氧化表面处理是有效改善碳纤维/MDF水泥界面粘结性的方法,不经处理的碳纤维增强MDF水泥复合材料的性能比基体低,阳极氧化表面处理改善了碳纤维/MDF水泥界面的粘结性,使复合材料的性能提高.实验中根据复合材料性能随碳纤维阳极处理条件变化,得到了用于增强MDF水泥的沥青基碳纤维的最佳阳极处理电位.加入2.0wt%最佳电位下处理后的沥青碳纤维,可使CF/MDF水泥复合材料力性σ_f与α_k分别达到116.4MPa和1.63kJ/m2,它比基体对应性能分别提高30%和20%.     

碳纤维增强水泥基复合材料的制备及热电性能研究

将不同含量(0.5%,1.0%,1.5%(质量分数))的碳纤维掺入到硫铝酸盐水泥基体中,制备了碳纤维增强水泥基复合材料。通过SEM、阿基米德排水测试法、四探针法等手段,研究了碳纤维含量对增强水泥基复合材料断面结构、抗弯强度、孔隙率、电导率、热导率和塞贝克系数的影响,并模拟太阳辐射进行了能量收集实验。结果表明,碳纤维均匀地分布在水泥基体中形成网格结构,碳纤维与水泥基体有很强的结合力。当碳纤维含量由0.5%(质量分数)增加到1.5%(质量分数)时,水泥基复合材料的抗压强度由71.36 MPa增加到106.51 MPa,增长了49.26%;孔隙率由0.8%增加到2.0%,增长了150.0%;电导率由0.0214 S/m增加到0.2408 S/m,增长了1025%;热导率由0.261 W/(m·K)减小到0.210 W/(m·K),减少了19.54%;塞贝克系数迅速增大,最大为1.22×10^4μV/K。当碳纤维含量为1.5%(质量分数)时,厚度为20 mm的水泥基复合材料每1 m^2可输出5~6μW的功率;在400 min辐照下,试样表面温度迅速达到70℃左右,1 m^2水泥基复合材料面板上收集到的能量高达8.1×10^-6 J。由此可知,碳纤维含量的增加,极大地提高了碳纤维增强水泥基复合材料的热电性能。     

碳纤维增强尼龙1010的力学性能及其对摩擦磨损的影响

用碳纤维填充尼龙1010制备了碳纤维增强尼龙复合材料,并对碳纤维增强尼龙复合材料的力学性能和摩擦学性能进行了实验研究。力学实验结果表明:碳纤维增强使尼龙复合材料的拉伸强度、表面硬度增大,碳纤维增强尼龙材料的拉伸强度在20%碳纤维含量时达到最大值;碳纤维表面处理对尼龙复合材料的拉伸强度有很大影响,碳纤维表面氧化处理提高了碳纤维增强尼龙复合材料的拉伸强度。摩擦磨损实验表明:碳纤维增强尼龙复合材料的摩擦系数和磨损率与其拉伸强度和硬度有密切关系。随着拉伸强度和硬度的提高,尼龙复合材料摩擦系数和磨损率降低;摩擦系数和磨损率与拉伸强度具有反比关系,与材料硬度具有二次方程关系,与碳纤维填充量之间存在负指数变化规律。      

碳纤维增强水泥基复合材料的发展与研究

传统的水泥混凝土材料由于功能单一、脆性大、自重大、抗拉强度和抗弯强度差,在一些特殊领域中的应用受到了很大限制.碳纤维由于具有高比强度、高比模量、密度小、耐腐蚀、导电性好、对人畜无害等优异性能而颇受材料科学工作者的青睐,被视为许多复合材料的优良增强体.将碳纤维加入到水泥基体中,制成碳纤维增强水泥基复合材料,不仅可改善水泥自身力学性能的缺陷,使其具有高强度、高模量、高韧性,更重要的是能把普通的水泥建筑材料变成对温度和应力敏感、具有自感知内部应力和损伤及一系列电磁屏蔽性能的智能材料.     

Electrical conductivity characterization and variation of carbon fiber reinforced cement composite

Electrical conductivity of carbon fiber reinforced cement composite (CFRCC) was measured. The conductivity of specimens increased by several orders of magnitude while the volume fraction of fibers reached a higher value than the critic concentration. The microstructure associated with electrical percolation phenomena was observed. The mechanism of conduction was interpreted as being due to fibers touching each other. The changes of electrical conductivity under three different loading levels were investigated. The percolation threshold value decreased with loading. The relative changes of electrical conductivity both under single loading and cyclic loading could sense the stress in non-elastic, elastic and fracture region with sensitive response. The influences of fiber volume fraction and fiber length on the sensitivity of electrical conductivity measurement were discussed. The results provide some new information for the fabrication of conductive and intrinsically smart carbon fiber reinforced cement composites.     

Electrical conductivity of self-monitoring CFRC

The present work is concerned with the analysis of the electrical conductivity in carbon fiber reinforced cement composites and of the main parameters influencing the phenomenon: fiber volume fraction, fiber length, hydration time and sand–cement ratio. AC measurements were carried out on CFRC (carbon fiber reinforced cement) and the experimental results were analyzed using the percolation theory. The present study could be useful for the adoption of CFRC as a smart material.     

填充型聚合物基复合材料的导电和导热性能

研究了高密度聚乙烯为基体、炭黑和炭纤维为填料复合体系的导电和导热性能。发现当导电填料的含量达到渗流阈值时,复合材料的电导率急剧升高;而在渗流阈值附近,其热导率未出现突变。这表明电导渗流现象不完全是由导电粒子通过物理接触生成导电链所致。其导电机制是相当数量的导电粒子相互发生隧道效应。     

掺CCCW的碳纤维石墨水泥基复合材料的导电及压阻特性

利用四电极法研究了内掺水泥基渗透结晶防水材料(CCCW)的碳纤维石墨水泥基复合材料试样(40 mm×40 mm×40 mm)的导电特性及其在循环荷载作用下的压阻特性,分析讨论了碳纤维石墨水泥砂浆的体积电阻率及压阻特性随石墨掺量的变化规律。碳纤维和CCCW的掺量分别为水泥质量的1%和4%;石墨掺量分别为水泥质量的0%、10%、20%、30%、40%和50%。结果表明,添加CCCW的碳纤维石墨砂浆试样的体积电阻率随石墨掺量的增加迅速下降,并存在渗滤现象,渗滤阈值为20%左右。在循环荷载作用下,不同石墨掺量试样的电阻和应力存在一定的对应关系。石墨掺量为水泥质量的20%～30%时,碳纤维石墨水泥砂浆试样的体积电阻率与压应力呈现良好的可重复性,电阻值在应力加载时几乎呈线性下降,而卸载时增加。     

Electrical conductivity and mechanical properties of multiwalled carbon nanotube-reinforced polypropylene nanocomposites

In this paper, the electrical conductivity and mechanical properties such as elastic modulus of multiwalled carbon nanotubes (MWCNTs) reinforced polypropylene (PP) nanocomposites were investigated both experimentally and theoretically. MWCNT-PP nanocomposites samples were produced using injection mold at different injection velocities. The range of the CNT fillers is from 0 up to 12?wt%. The influence of the injection velocity and the volume fraction of CNTs on both electrical conductivity and mechanical properties of the nanocomposites were studied. The injection speed showed some effect on the electrical conductivity, but no significant influence on the mechanical properties such as elastic modulus and stress-strain relations of the composites under tensile loading. Parallel to the experimental investigation, for electrical conductivity, a percolation theory was applied to study the electrical conductivity of the nanocomposite system in terms of content of nanotubes. Both Kirkpatrick (Rev Mod Phys 45:574?C588, 1973) and McLachlan et?al. (J Polym Sci B 43:3273?C3287, 2005) models were used to determine the transition from low conductivity to high conductivity in which designates as percolation threshold. It was found that the percolation threshold of CNT/PP composites is close to 3.8?wt%. For mechanical properties of the system, several micromechanical models were applied to elucidate the elastic properties of the nanocomposites. The results indicate that the interphase between the CNT and the polymers plays an important role in determining the elastic modulus of the system.     

碳纤维增强铜基复合材料的性能研究

采用粉末冶金法制备了短碳纤维增强铜基复合材料。经对不同碳纤维含量试样的硬度及导电性能的测定，并在干摩擦的条件下研究了碳纤维增强铜基复合材料的摩擦磨损性能，同时对磨损表面的微观结构进行观察来分析其磨损机理。实验结果表明，随着碳纤维含量的增加，该材料的硬度和耐磨性均有所增加，但其导电性有所下降。     

碳纤维混凝土三向受压力电性能试验研究

试验研究了三向受压碳纤维混凝土的力学、电学性能及力电关系。对连接在直流回路中的碳纤维混凝土试件施加单调及循环荷载,处于三向受压状态的试件所受荷载与其电阻同步变化。用同批试件做单向受压试验,对比发现,在相同的轴向压力下,有围压和无围压的碳纤维混凝土的力电效应具有相似的变化趋势,即荷载增大,电阻下降;荷载减小,电阻上升。不同点是,在单调及循环荷载作用下,三向受压混凝土电阻变化率比单向受压混凝土的大,而且电阻幅值更为稳定。     

短切碳纤维导电复合材料渗流和PTC行为的唯象分析

为研究短切碳纤维含量和温度对导电复合材料渗流行为的影响,通过Landau相变理论导出了复合材料电导率与填料体积分数及温度的方程,并用该方程分析了短切碳纤维/乙烯基酯树脂复合材料的渗流和PTC行为。结果表明:复合材料的渗流阈值随温度升高而增加,PTC温度随碳纤维含量增加而上升。当温度由24.6℃上升到108.4℃时,其渗流阈值的理论值由1.06%增加到1.60%;当碳纤维体积分数由3.1%增加到4.6%时,其PTC温度的理论值由120℃上升到170℃。复合材料渗流阈值和PTC温度理论值与实验值符合得很好。      

碳纤维增强混凝土的拉敏特性及梁构件的机敏监测

碳纤维具有良好的导电性,电阻率变化率与所处应力场具有稳定的对应关系,在混凝土结构中构造一定厚度的碳纤维增强混凝土机敏层,并通过实时监测电阻率变化率,可对结构的实时荷载和变形程度进行预报.本工作研究了碳纤维增强混凝土本征拉敏特性规律,并将其应用于钢筋混凝土梁构件中,实现了对构件实时荷载和变形的在线监测.     

碳纤维含量对短碳纤维－铜复合材料性能的影响

用粉末冶金法制造了碳纤维分布均匀的碳纤维一铜复合材料，测定了复合材料的力学性能和物理性能，表明在碳纤维与铜基体之间存在界面结合，碳纤维含量对复合材料性能影响极大。