碳纤维硫铝酸盐水泥基机敏复合材料

采用压制成型方法制备了碳纤维硫铝酸盐水泥基复合材料 ( Carbon Fiber Reinforced Sulphoaluminate Cement,简称CFRS ) 。用XRD和孔结构分析仪对复合材料的物相和孔径与孔体积的关系进行了分析,研究了不同碳纤维掺量对复合材料在单调压应力和循环压应力下的机敏性能的影响。XRD和孔结构分析研究结果表明,压制成形的试样水化14天硫铝酸盐水泥水化仍不完全,试样结构致密,孔隙率较小,孔径基本小于0.9μm;单调压应力下机敏测试性能表明,碳纤维掺量为0.3％和0.5％的CFRS试样电容变化率与压应力近似成线性关系,机敏性能较好;循环压应力下碳纤维掺量为0.7％的CFRS试样电容变化率与循环压应力成一一对应关系,表现出较好的机敏特性。      

导电掺和料形态与水泥基材料压敏性的相关性

研究了含有碳纤维、石墨、钢纤维的水泥基材料的导电性及其在压应力作用下电阻率的变化规律;探讨了掺有导电掺合料的水泥石电阻率的变化机理。研究表明,水泥基材料具备压敏效应的前提条件是其导电网络达到渗流区,而碳纤维由于长径比大、密度小,极小掺量即可使水泥石进入渗流区,产生压敏效应。      

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。     

CNT-CF水泥基材料传感特性研究

将碳纳米管与碳纤维混杂掺入水泥基材料制备碳纳米管-碳纤维(CNT-CF)水泥基材料,并研究其温敏和压敏传感特性。结果表明,当碳纳米管掺量较低时(0.5%),碳纳米管能有效提高CNT-CF水泥基材料的温敏和压敏特性;CNT-CF水泥基材料的活化能、温敏系数以及压敏传感线性程度和重复度均随碳纳米管掺量增加而提高;随着碳纳米管掺量继续增加,CNT-CF水泥基材料各项传感性能均有所下降。碳纳米管掺量为0.5%的试样传感特性最优。利用CNT-CF水泥基材料开发水泥基温敏、压敏传感器有一定应用前景。     

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。     

三维石墨烯-碳纳米管/水泥净浆的压敏性能

为了探索三维石墨烯-碳纳米管(G-CNTs)/水泥净浆的压敏性能,采用四电极法研究了荷载作用下GCNTs/水泥净浆的电阻率变化,并分析不同G-CNTs掺量、加载幅度、加载速度以及恒定荷载对电阻率变化的影响。研究表明:随着G-CNTs掺量的增加,电阻率呈先减小后稳定的变化趋势,在G-CNTs掺量由0.2wt%增加至1.6wt%时,电阻率下降51.8%;电阻率与温度呈负相关;G-CNTs掺量高于0.8wt%时可以显著提高水泥净浆的压敏性能,且电阻率变化率与应力应变有明显的对应关系,1.2wt%G-CNTs掺量下试件的应力灵敏系数和应变灵敏系数分别为2.3%/MPa和291;G-CNTs/水泥净浆电阻率变化率幅值随着加载幅度增大而相应增加,其电阻率变化率曲线在不同加载速度以及恒定荷载作用下均与应力-应变曲线一一对应,具有良好的压敏特性。     

氧化石墨烯对水泥基渗透结晶型防水材料抗渗性能的影响

研究了木质素磺酸钠(MN)对氧化石墨烯(GO)在模拟水泥水化孔隙液中的分散能力的影响,并研究了MN分散的GO对水泥基渗透结晶型防水材料(CCCW)对水泥砂浆抗渗性能的影响。通过吸光度试验、Zeta电位及原子力显微镜(AFM)研究表明,当MN与GO的质量比为3∶1时,GO在饱和氢氧化钙溶液中的分散性最佳;砂浆力学强度测试表明,当GO掺量为水泥质量的0.03%时,3天、28天的抗折抗压强度相较于不掺入MN的GO砂浆分别提高了39.13%和39.37%、33.84%和33.48%;砂浆抗渗压力和氯离子扩散系数比标准砂浆试件分别提高了160.0%和下降了50.6%;抗渗性能测试表明,当GO掺量为水泥质量的0.03%时,GO改性CCCW涂层抗渗压力比含CCCW的涂层提高了116.7%;微观测试表明,GO促进了水化反应,并在砂浆基质中发挥了填充作用和模板作用,增强了水化产物的密实度,使得砂浆和CCCW抗渗性能增加了。本文提供了一种GO改性CCCW来提升水泥砂浆的抗渗性能,在涂层防水效果和降低CCCW材料成本等应用价值得到提升。     

混凝土柱中石墨水泥砂浆试块的压阻特性研究

将石墨水泥砂浆(GCC)试块(40mm×40mm×40mm)预埋混凝土柱(100mm×100mm×300mm)中,利用四电极法研究了其在混凝土柱受到不同幅值循环荷载和单调加载作用下的压阻特性。研究结果表明,GCC试块体积电阻的变化率与混凝土柱的受力状态呈现良好的对应关系。     

水泥基纳米复合材料压敏特性研究

研究了添加纳米TiO2粒子砂浆在单调荷载及循环荷载下的压敏特性,及添加碳黑的水泥净浆的单调加载下的压敏特性.实验结果表明在单调单向压力荷载时,添加纳米TiO2砂浆具有良好的压敏性能,其体积电阻率与压应力具有稳定而线性的对应关系;循环加载时,其体积电阻率的变化规律又能反映出材料的疲劳损伤情况.添加纳米碳黑砂浆在单调荷载下也具有较好的压敏特性,但稳定性稍差.在实验的基础上,本文探讨了水泥基纳米复合材料的压敏特性机理,分析了两种不同纳米复合材料压敏性能差异性产生的原因.     

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/ 水泥基复合材料微观结构及机敏特性

以普通硅酸盐水泥为基体材料, 以碳纤维为功能组分, 采用压力成型法制备了碳纤维增强水泥基复合材料(CFRC) 。用SEM 和孔结构分析仪对复合材料的微观结构进行了分析, 同时研究了其机敏特性。结果表明:较大成型压力制备的复合材料孔隙率明显低于较小成型压力制备的复合材料。不同成型压力制备的复合材料电阻率均随温度升高而呈先增大后减小的趋势。较小成型压力制备的CFRC , 其临界温度为75～100 ℃; 较大成型压力制备的CFRC , 其临界温度为100～120 ℃。循环载荷下, 碳纤维水泥基复合材料电阻的相对变化与载荷之间呈现明显的一一对应关系, 较大成型压力制备的CFRC 在每个循环过程中电阻相对变化的幅度明显大于较小成型压力制备的CFRC , 更适合应用于结构的实时、动态的健康监测和损伤评估。      

ABS/石墨复合材料的交直流导电特性及流变性能

研究了石墨填充丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)复合材料的直流(DC)和交流(AC)导电特性和线性粘弹行为。电性能测试结果表明,石墨体积分数为13.21%~16.36%时,ABS/石墨复合材料的DC电阻率突降6个数量级,说明发生电学逾渗;同时,AC电阻率在低频区不随频率而变化,且AC阻抗复平面图中阻抗实部与阻抗虚部呈现半圆弧,进一步证明导电网络的形成。流变性能测试结果表明石墨体积分数为10.24%~13.21%时复合体系的储能模量和复数黏度出现跳跃,损耗因子(tanδ)的峰值减小且逐渐向高频移动,说明复合体系从"类液态"转变为"类固态",发生流变逾渗现象。流变逾渗阈值小于导电逾渗阈值是因为传递电子时石墨之间的距离比阻碍聚合物分子链运动时石墨之间的距离小。     

Effect of compressive strain on electrical resistivity of carbon black-filled cement-based composites

This paper investigates the strain sensing properties of carbon black (CB)-filled cement-based composites which were prepared with 120 nm CB. A linear relationship between the fractional change in resistivity and compressive strain was observed for cement-based composites containing a large amount of CB, suggesting that this kind of composite was a promising candidate for strain sensors used in concrete structures. Tunneling effect theory and percolation theory are employed to interpret the conductivity and electromechanical properties of CB-filled cement-based composites.     

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。     

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.     

Fabrication process and electrical behavior of novel pressure-sensitive composites

A novel route was developed to fabricate a new pressure-sensitive composite by dispersing homogeneously conductive carbon particles in an insulating silicone rubber matrix. The composites showed a gradual change in electrical resistivity with applied pressure within percolation threshold region at a constant temperature. This type of gradual fall of resistivity with applied pressure is very important to fabricate pressure sensors. Various amounts of carbon particles were dispersed in a rubber matrix to understand the effect of volume fraction of conductive filler with applying external pressure on resistivity. A quantitative general effective media (GEM) theory was used to understand the resistivity of carbon–rubber composites system over a large range of volume fraction of carbon with applied pressure. The use of two different sizes of silicon rubber particles showed a significant effect in gradual fall of resistivity with applied pressure in the narrow range of percolation threshold. However, a large variation in resistivity from 1st measuring to 10th measuring was observed. A significant improvement in successive measuring of resistivity variation from 1st measuring to 10th measuring was observed when composites were fabricated in hexane solvent media. Finally, nano-sized Al₂O₃ was dispersed to control the resistivity variation upon successive measurement and to improve the mechanical properties of the composites. The material was suggested to use as unique materials as pressure sensors in practical applications mainly for robots.     

超声波在碳纤维水泥基材料制备中的应用研究

为提高碳纤维在水泥基复合材料中的分散性,提出了两种改进的超声波辅助制备工艺——超声波分散纤维和超声波分散纤维加少量硅灰.应用电阻测试法评价了这两种工艺对碳纤维水泥浆的匀化效果,同时研究了超声波处理时间对复合材料匀化效果的影响.研究结果表明:由于超声波空化作用和机械作用可使纤维得到预分散,两种改进的超声波辅助制备工艺都可以提高碳纤维水泥基复合材料的均匀性;而且超声波处理时间越长,匀化效果越好,但达到一定时间后,匀化效果趋于饱和.     

合成纤维种类对水泥基材料干缩开裂形态的影响

研究了相同体积掺量下(均为0.5%),聚丙烯(PP)纤维、尼龙单丝(Nycon RC)纤维和尼龙网状(MultiMesh)纤维对水泥基材料干缩开裂形态的影响.通过圆环法的对比实验,发现纤维表观形状和纤维直径对水泥基材料抗干缩开裂性能和裂缝分布有显著影响.基准水泥基材料呈现单一裂缝破坏模式,而合成纤维水泥基材料呈现了双缝或多缝开裂模式.结合SEM微观测试,分析了合成纤维与水泥基材料的界面性能,探讨了不同纤维种类限制水泥基于缩开裂的作用机理.     

超临界CO2爆破剥离石墨/低密度聚乙烯导电复合材料

以低密度聚乙烯为基体,天然石墨为填料,通过熔融共混法制备了导电复合材料,并进一步采用超临界二氧化碳对其进行爆破处理,得到经CO2剥离分散后的导电材料。通过万用表、旋转流变仪和万能拉力试验机对超临界二氧化碳处理前后的复合材料的电性能、流变性能和力学性能进行了测试。结果表明,未经超临界二氧化碳处理,复合体系发生导电逾渗时填料含量为40%~45%,发生流变逾渗时填料含量为35%。经超临界二氧化碳处理后,导电逾渗发生时填料含量降低到25%~30%,体系的电阻率下降了1~2个数量级,流变逾渗现象出现的填料含量也降低至20%。并且与未经超临界二氧化碳处理的复合材料相比,处理后材料的拉伸强度与断裂伸长率均有所增加。