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。      

碳纤维的分散性与CFRC复合材料的导电性

借助超声波和新型分散剂羟乙基纤维素的预分散,实现了短碳纤维在水泥基体中的均匀分散,在扫描电镜下观察了硬化试件的断口形貌,讨论了碳纤维掺量、长度、水灰比对碳纤维增强水泥基复合材料(CFRC)导电性的影响.结果发现,CFRC的电阻率随碳纤维掺量的增加呈下降趋势,随水灰比的增加先降低后逐渐上升;采用振动压制成型时,电阻率比振动成型时大幅度下降.     

原位生长的气相生长碳纤维增强C/C复合材料的制备及其弯曲性能

以丙烯为碳源, FeCl₃·6H₂O为催化剂, 采用化学气相沉积法(CVD)在碳毡和不同密度的C/C复合材料上原位气相生长碳纤维(VGCFs) , 并以含原位生长VGCFs的碳毡和不同密度的C/C复合材料为基体制备VGCFs-C/C复合材料。研究了反应压力、基体密度对VGCFs生长情况的影响, 借助扫描电镜(SEM)、光学显微镜观察原位生长VGCFs的形貌及基体原位生长VGCFs后热解炭形貌的变化, 并对比研究了C/C复合材料和VGCFs-C/C复合材料的弯曲性能。研究结果表明, 反应压力为3700 Pa, 基体密度低的情况更有利于VGCFs的生长; 原位生长的VGCFs改变了纤维表面热解炭的沉积形貌, 使得热解炭和碳纤维的结合面之间形成具有铆钉作用的球状结构, 增强了界面结合力, 从而提高了原位生长的高VGCFs含量样品的弯曲强度。     

CVI处理短碳纤维在CFRC中分散性的评价

碳纤维增强水泥基复合材料(CFRC)是一种新发展起来的、很有潜力的功能材料.丙烯作前驱体,对短碳纤维在高温下(900～1300℃)进行100个小时左右的化学气相浸渍(CVI)表面处理,丙烯在高温下分解,生成热解碳,沉积在碳纤维表面.借助超声波预分散技术及新型分散剂羟乙基纤维素(hydroxyethyl cellulose,HEC)和超细颗粒硅灰的分散作用,实现了CVI处理碳纤维在水泥基体中的均匀分散.HEC水溶液的质量分数控制在1.56～1.77%之间为宜.分别运用扫描电镜法(SEM)、新拌料浆法(FM)、硬化试件电阻率测试法(ERM)及模拟试验法(SE)四种方法评价了CVI处理后短碳纤维的分散性.每种方法均有自身的优缺点和适应环境,四种方法中,模拟试验法(SE)是评价制备CFRC复合材料前期、碳纤维第一步分散的最方便的方法,此法不仅可节约时间和大量的原材料,而且可预测制备CFRC过程中应选择何种分散剂及碳纤维第二步分散的情况.     

外加剂对CFRC导电性能的影响

通过对掺不同外加剂的碳纤维增强水泥（CFRC）试件的电阻测试,考察了两种外加剂MKC和CKH的作用效果．结果表明它们有促进纤维分散的功效,配合相应的制备工艺,试块的导电性得到改善,压力作用下电阻变化的敏感性增强．还研究了龄期和纤维含量对试块电阻率的影响．由此可见,通过掺外加剂和选择合理工艺,可研制出导电性和压力敏感性良好的试件．     

短碳纤维的分散性对CFRC力学性能的影响

碳纤维增强水泥基复合材料(CFRC)是一种新型建筑智能材料,碳纤维在水泥基体中的分散性直接影响着它的力学性能.借助超声波和甲基纤维素(MC)分散剂,实现了短碳纤维在水泥基体中的均匀分散,对所制备的CFRC复合材料的断口形貌作了SEM观察;测试了试件的抗压强度、抗拉强度和抗折强度.结果发现,碳纤维均匀分散时,复合材料的抗压强度提高19%,抗拉强度比不加碳纤维时提高2.2倍,弹性模量提高1.4倍.此外,复合材料的抗弯强度、抗折强度均高于未均匀分散时的强度.     

石英衬底上柱状多晶硅薄膜的制备

利用射频等离子体增强化学气相沉积法(RF-PECVD)在已经预沉积有非晶硅薄膜的石英衬底上低温沉积了N/I非晶硅薄膜, 对样品进行了两步快速光热(RTP)退火. 采用 Raman、X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)等测试仪器对样品退火前后的结晶状况和微观形貌进行了分析. 结果表明, 该N/I非晶硅薄膜退火后的晶化率达到了94%左右, 断面形貌为柱状结构, 样品中的平均晶粒尺寸约30nm, 晶粒团簇的尺寸最大约1.5μm.     

短切炭纤维的CVI处理及其在CFRC中的分散性

采用CVI法对短炭纤维进行表面处理, 借助超声波对其进行预分散, 用新型分散剂羟乙基纤维素(HEC)和超细粉硅灰对其进行分散, 并研究了其在水泥基体中的分散性; 在SEM电镜下观察了短炭纤维增强水泥基复合材料(CFRC)的断口形貌, 用炭纤维质量变动系数定量评价了短炭纤维在CFRC中的分散性。结果表明, 采用CVI预处理和超声波预分散, 在分散剂HEC和硅灰不同掺量下, 炭纤维的分散性均得到显著改善。炭纤维的分散性随HEC掺量的增加而提高, 当HEC掺量为水泥质量的0.6%、 硅灰掺量为水泥质量的10%时, 两种分散剂的协同作用使炭纤维质量变动系数最小, 此时炭纤维在水泥基体中的分散性最理想。      

石墨烯及氧化石墨烯对水泥基材料水化过程及强度的影响

本工作采用超声分散方法将插层剥离法制备的石墨烯pG(Peeling graphene)及传统Hummers法制备的氧化石墨烯hGO(Hummers graphene oxide)制备成纳米片分散液,研究了两种分散液对水泥基材料凝结时间、水化产物微观结构及强度的影响。结果表明：两种纳米片分散液的掺入均能明显缩短水泥的凝结时间,减少水泥石内部的孔隙,使结构致密化,部分CH晶体呈现出由一位点向外发散的多面聚集的结构状态。pG和hGO的加入能加速水泥水化反应速率,未改变水化产物的种类,还可提高水泥基材料的力学性能,尤其是3 d抗折强度提高最为明显。掺pG的试件均比掺hGO的试件强度略高,这为成本低、尺寸可控、可批量生产的石墨烯产品在水泥基材料中的应用提供了广阔的应用前景。     

没食子酸协同聚羧酸减水剂分散氧化石墨烯及其对水泥砂浆性能的影响

少量氧化石墨烯(GO)可大幅度提升水泥基材料的强度和韧性,但GO极易在高钙高碱水泥水化介质中聚沉,解决GO的分散稳定性问题是发挥其对水泥基材料增强功效的关键.本工作研究了没食子酸(GA)对GO在饱和氢氧化钙(CH)溶液中的助分散作用及其对GO掺配水泥砂浆力学性能的影响.相对于聚羧酸减水剂(PC)单独分散GO体系,额外加入一定比例的GA能进一步改善GO在CH溶液中的稳定分散能力;与PC分散GO的基准试件相比,少量的助分散剂GA可使水泥砂浆3 d的抗折、抗压强度分别提高17.3％和18％,28 d的抗折、抗压强度分别提高19.2％和21.4％.GA协同PC分散GO具有更好的促进水泥水化进程的作用,可使硬化水泥石的微观结构更加密实,水泥水化产物晶体更加有序规整生长.本研究以绿色廉价的GA作助分散剂,为GO增强水泥基材料提供了一种全新的思路且具有潜在的应用前景.     

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。     

Single wall nanotube and vapor grown carbon fiber reinforced polymers processed by extrusion freeform fabrication

Single wall carbon nanotubes (SWNTs) and vapor grown carbon fibers (VGCFs) were compounded with poly(acrylonitrile-co-butadiene-co-styrene) (ABS) to create composite materials for use with Extrusion Freeform Fabrication (EFF). The composite materials possessed homogeneously dispersed fibers that were oriented with EFF processing. The VGCF and SWNT reinforced materials processed by EFF displayed improved tensile modulus compared to similarly processed ABS and composite material with isotropic fiber orientation, and the SWNT reinforced material displayed the highest properties, strength and modulus, of the materials studied. The materials containing oriented VGCFs and SWNTs showed modulus improvements of 44 and 93%, respectively.     

Piezoresistivity in Carbon Fiber Reinforced Cement Based Composites

The results of some interesting investigation on the piezoresistivity of carbon fiber reinforced cement based composites (CFRC) are presented with the prospect of developing a new nondestructive testing method to assess the integrity of the composite. The addition of short carbon fibers to cement-based mortar or concrete improves the structural performance and at the same time significantly decreases the bulk electrical resistivity. This makes CFRC responsive to the smart behavior by measuring the resistance change with uniaxial pressure. The piezoresistivity of CFRC under different stress was studied, at the same time the damage occurring inner specimens was detected by acoustic emission as well. Test results show that there exists a marking pressure dependence of the conductivity in CFRC, in which the so-called negative pressure coefficient of resistive (NPCR) and positive pressure coefficient of resistive (PPCR) are observed under low and high pressure. Under constant pressures, time-dependent resisti     

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.     

稻壳纤维粒径和掺量分数对水泥复合材料性能的影响

以稻壳纤维（Rice husk fiber,RHF）为增强材料,以水泥为基体,制备了RHF/水泥基复合材料。研究了粒径对RHF在水泥基体中分散性能的影响;并以RHF粒径和掺入质量比为考察因素,采用响应曲面法,以RHF/水泥基复合材料的密度、抗折强度、含水率、吸水率和导热系数为响应值,建立数学模型,对RHF/水泥基复合材料的成型工艺进行优化设计。结果表明：RHF的粒径越小,在水泥基体中分散性能越好,粒径为150 μm的RHF分散系数达到最大值,为0.981;响应曲面模型分析表明RHF的粒径为150 μm、掺入质量为水泥质量的3%时,RHF/水泥基复合材料的性能达到最优,此时RHF/水泥基复合材料的密度为1 559.26 kg/m³,抗折强度为9.38 MPa,含水率为7.05%,吸水率为16.71%,导热系数为0.50 W/（m·K）,达到了建筑行业标准JC/T 411-2007的要求。     

Volume resistivity of ultra-thin chopped carbon fiber tape reinforced thermoplastics

This study concerns the development of a reliable method to measure the volume resistivity of ultra-thin chopped carbon fiber tape reinforced thermoplastics (UT-CTT) made by tow spreading technology. It was found that, by using vises with aluminum foil and silver paste, resistivity can be accurately evaluated and the in-plane volume resistivity of UT-CTT decreased with increasing tape length and decreasing tape thickness. However, an increase in tape thickness led to a decrease in out-of-plane resistivity. The resistivity also had smaller coefficient of variation (CoV) in UT-CTT specimens that included a greater number of chopped tapes for a given volume. This makes it possible to achieve a volume resistivity in UT-CTT that is close to that of quasi-isotropic laminates, despite the discontinuity of the carbon fiber, with potential applications improving lightning resistance and electromagnetic interference (EMI) shielding.     

小应力下炭纤维增强水泥的压敏性和温敏性

研究了炭纤维增强水泥的导电性，测定了它在小应力范围内恒定载荷和循环载荷下电阻率的变化。结果表明，试块的电阻率与压应力有关，反应了试块内部结构及其变形规律，还研究了温度和电阻率压敏性的关系。     

多孔性水泥-聚苯颗粒材料的吸声性能研究

水泥-聚苯颗粒材料被广泛用作外墙外保温材料,通过特殊制备工艺可形成多孔性结构,从而同时具备吸声功能,改善建筑环境.以水泥为胶凝材料,以聚苯颗粒为骨料,以聚丙烯纤维和可再分散乳胶粉为增韧材料,采用半干料压缩工艺成型制备吸声材料,分析了水泥用量和蒸汽养护对材料吸声性能的影响.结果表明:水泥掺量越高,在高频段的吸声系数越低,但水泥掺量过低对低频声的吸收不利;蒸汽养护使材料表面形成了空腔共振吸声结构,对提高一定频率下的吸声性有利,根据理论计算了空腔共振吸声结构提高吸声性的频率范围,结果与实测结果一致,分析认为通过调整聚苯颗粒粒径可实现在相对较宽频率范围的高效吸声;纤维提高了抗折强度,可在保障强度的前提下降低水泥用量以提高吸声性.