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。     

碳纳米管增强水泥基复合材料的自收缩及抗裂性能碳纳米管增强水泥基复合材料的自收缩及抗裂性能

水泥基材料的收缩开裂已经成为其破坏的一个主要原因,受到国内外关注,碳纳米管（CNTs）作为一种纳米纤维状材料,可能可以抑制水泥基材料收缩。本文将CNTs放入水中,经过超声处理分散后,形成CNTs分散液,设置不同的CNTs掺量将其掺入到水泥基材料中,通过波纹管实验及圆环试验对该种新型复合材料的自收缩及抗裂性能进行研究。结果表明:CNTs的掺入可以很大程度上抑制水泥基材料的自收缩,最高降低率可到40%以上,且明显提高了水泥基材料的抗裂性能。水灰比的增加会提高CNTs对水泥基材料收缩的抑制效果。当CNTs的掺量为0.1wt%时,可以获得最优效果。同时,CNTs的掺入不仅对水泥基材料自收缩有抑制作用,一定程度上也会抑制水泥基材料的干燥收缩。通过将CNTs掺入到建筑结构关键部分的水泥基材料中,可以提高建筑安全系数。      

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。     

碳纳米管水泥基复合材料电学性能数值模拟

采用ANSYS12.0和蒙特卡洛随机方法构建了碳纳米管水泥基复合材料的有限元模型,并基于有限元法分析了碳纳米管长径比、直径和掺量对复合材料有效电阻率的影响,并在此基础上通过有效介质方程对有效电阻率数值解和电阻率实验值进行了拟合。数值计算结果表明,碳纳米管水泥基复合材料有效电阻率的有限元解与解析解较为一致,证明采用有限元法进行电学分析具有可行性;碳纳米管水泥基复合材料有效电阻率随碳纳米管掺量和碳纳米管长径比增加而减小,随着碳纳米管直径的减小而减小;有效介质方程对碳纳米管水泥基复合材料有效电阻率实验值和有限元数值解拟合曲线变化趋势是一致的。     

氧化石墨烯调控水泥基材料形成大规模规整结构及其性能表征

将制备的GO与减水剂和拌合水超声处理后用于制备水泥基复合材料,研究结果表明,GO纳米片层在水泥基体中达到了均匀分散,水泥水化产物成为了规整形状的多面体状水化晶体,通过其交织交联形成了大规模规整致密的微观结构。当GO掺量为0.03%时,尺寸为30~190nm GO的水泥基复合材料28d时的抗压强度和抗折强度比对照样品分别提高了78.8%和112.7%,尺寸为110~410nm GO的水泥基复合材料的抗压强度和抗折强度分别提高了72.3%和93.9%,水泥基复合材料的耐久性显著提高。同时提出了水泥基复合材料微观结构形成机理。     

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。     

氧化石墨烯增强水泥基复合材料的力学性能及微观结构

本文采用改进的Hummers法制备了氧化石墨烯（Graphene oxide,GO）悬浮液,通过FTIR、XRD和AFM等测试技术对GO晶体结构和尺寸形态进行了表征,考察了GO掺量和水灰比的变化对GO增强水泥基复合材料力学性能和微观结构的影响。结果表明：GO增强水泥基复合材料抗折抗压强度随GO掺量增加而先提高后降低,且对于抗折强度增强效果远超过抗压强度,当GO掺量为0.03%时,抗折强度达到最大值13.72 MPa;高水灰比条件下掺入GO对水泥胶砂强度的提高更显著;通过SEM对GO增强水泥基复合材料微观结构进行表征,发现GO能够优化水泥水化产物的微观结构形态,细化晶体尺寸,形成更加致密均匀的网络结构,从而改善水泥基复合材料的宏观性能。     

纳米SiO2改性聚合物水泥基复合材料早期微观结构及性能

利用纳米SiO₂(nano SiO₂)早期可促进聚合物水泥基复合材料水化速率、提升其力学性能、改善其界面过渡区(ITZ)性能及优化其孔隙结构等特点,借助XRD、SEM、EDS、显微硬度(MH)及压汞(MIP)等试验,揭示了nano SiO₂对聚合物水泥基复合材料早期性能影响的微观机制。结果表明:当nano SiO₂掺量为2wt%时,聚合物水泥基复合材料的力学性能最优,3 d和7 d龄期抗压强度分别为57.5 MPa和67.3 MPa,较仅仅掺加聚合物的水泥基复合材料分别提高了12.7%和13.9%;nano SiO₂的掺入改变了聚合物水泥基复合材料水化产物数量及微观形貌。对于ITZ性能,nano SiO₂掺入后,聚合物水泥硬化浆体-骨料的ITZ厚度减小,形貌变得更加致密;ITZ的钙硅比因nano SiO₂的加入变小而其显微硬度变大;此外,nano SiO₂加入后可以进一步填充聚合物水泥基复合材料更加细小的孔隙,使其凝胶孔比例变高,最可几孔径变小,大大优化了聚合物水泥基复合材料的孔隙结构。      

具有大规模规整致密花状微观结构形貌高/超高性能氧化石墨烯/水泥基复合材料

通过掺入氧化石墨烯(GO)及调控水灰比制备了高性能及超高性能水泥基复合材料,当水灰比为0.26及GO掺量为0.03%和0.05%时,水泥基复合材料的抗压强度和抗折强度分别为125.6 MPa、146.7 MPa和15.6 MPa、18.3 MPa。当水灰比为0.18及GO掺量为0.03%和0.05%时,水泥基复合材料的抗压强度和抗折强度分别为168.6 MPa、181.3 MPa和26.9 MPa、29.4MPa。水泥基复合材料的抗渗透、抗冻融、抗碳化等性能得到了显著提高。通过SEM观察水泥基体的微观形貌,发现水泥水化产物成为了形状规整的水化晶体,并且交织交联成为规整致密的花状微观形貌。XRD结果表明,规整形状水化晶体是由多种水泥水化晶体复合杂化形成的复合晶体。     

氧化石墨烯对水泥基复合材料徐变的调控机制

为了探明氧化石墨烯(GO)对水泥基复合材料徐变的调控机制,采用徐变加载架对不同GO掺量水泥胶砂的徐变进行了测试,并从水泥基复合材料的水化和微观结构入手,采用SEM、XRD、FTIR等研究了GO对水泥胶砂徐变的影响,并对调控机制进行了解释。结果表明：GO可以调节水泥基复合材料水化产物的形状与聚集态,降低宏观徐变。当GO掺量(与水泥质量比)大于0.02%时,水泥胶砂的徐变大幅度降低。GO的掺入促进了水化硅酸钙(CSH)对水分子的吸附与扩散,增加了内部CSH含量,使水化产物的结构更加致密。GO与CSH形成的氢键可提升二者之间的黏结力,并增强水分子在CSH-GO片层间的吸附,从而实现了对水泥胶砂徐变的调控。研究成果对于实现按终端用途进行水泥基复合材料设计具有重要的理论价值,并有望在预应力混凝土结构中得到应用。     

混杂功能化碳纳米管/聚氨酯复合材料的制备及性能

以多壁碳纳米管（MWNTs）为原料,采用不同改性方法制得了羧化碳纳米管（MWNTs-COOH）、共价功能化碳纳米管（MWNTs-NH₂）、非共价功能化碳纳米管（MWNTs-PPA）和混杂功能化碳纳米管（MWNTs-COOH-PPA）,将这4种改性碳纳米管按不同质量分数分别加入聚氨酯（PU）中制备了复合材料。使用万能材料试验机和热失重分析仪测试了复合材料的力学和热学性能,研究了碳纳米管对复合材料性能的影响。结果表明:通过在碳纳米管表面接枝少量的共价官能团防止非共价包覆的剥离,混杂功能化方法既能够改善碳纳米管在基体中的分散性,又能够保持其与基体界面间结合力,复合材料增强效果最明显。耐热性良好的碳纳米管的添加提高了PU基体的热分解温度,提高程度由于其功能化方式的不同而稍有差别。MWNTs-COOH-PPA/PU复合材料的力学性能最优,当碳纳米管含量（质量分数,下同）为0.3%时,其拉伸强度与纯PU相比提高104%,其热分解温度与MWNTs-COOH/PU相当,优于纯PU,但低于MWNT8-NH₂/PU和MWNTs-PPA/PU。     

纳米铜修饰多壁碳纳米管/石蜡相变驱动复合材料的制备及热性能

以油胺为分散稳定剂,在石蜡中热分解甲酸铜-碳纳米管复合物前驱体,单步制备了纳米铜修饰多壁碳纳米管(Cu-MWCNTs)/石蜡复合材料。通过XRD、TEM和DSC对Cu-MWCNTs/石蜡复合材料的物相、微观形貌及相变行为进行了表征和分析,并对其热敏性、热膨胀性和热稳定性及影响因素进行了分析研究。结果表明:纳米Cu原位沉积在MWCNTs外壁上,粒径为2~35nm。与纯石蜡相比,Cu-MWCNTs/石蜡复合材料的相变温度和相变潜热均明显降低。Cu-MWCNTs含量为0.2wt%的Cu-MWCNTs/石蜡复合材料具有较短的升温时间,体膨胀率降低较小,且多次加热后稳定性较好,可作为此类热敏微驱动器的理想材料。     

用作锂离子电池负极材料的包碳螺旋结构碳纳米管

以苯为碳源, 在900 ℃下采用TVD(thermal vapor deposition)法对螺旋结构碳纳米管(Helical carbon nanotubes, HCNTs)进行了包碳修饰, 采用XRD、SEM、TEM、BET 等检测方法对所制备材料进行了表征分析. 包碳后HCNTs的比表面积明显降低. 研究了包碳HCNTs用作锂离子电池负极材料的性能, 结果显示适量包碳不仅提高了HCNTs的首次库仑效率, 而且改善了其循环稳定性和倍率充放电性能. 当TVD包碳45 min、HCNTs增重约220 wt%时, 首次库仑效率从59.2%提高到77.8%, 在1.0C、2.0C、5.0C以及10.0C倍率下的放电比容量分别为265.6、245.7、196.0、163.2 mAh/g, 在10.0C下循环95次后放电比容量保持率为93.3%. 过多的碳包覆虽然会进一步提高材料的首次库仑效率和循环稳定性, 但会导致其倍率性能变差.     

工业级原料制备碳纳米管的研究

为降低碳纳米管批量制备的原料成本,以焦化苯和二茂铁为主要原料(工业级),采用浮游催化热解法制备碳纳米管,用TEM、SEM、Raman、XRD等对产物的形貌和结构进行观察和表征,着重讨论了二茂铁的分解温度和苯的挥发温度对碳纳米管的制备及其形貌的影响,并对其影响机理进行了分析.研究表明:在噻吩体积分数为0.55 mL/100 mL苯、炉膛反应温度为1170℃的前提下,当二茂铁的分解温度为150℃、苯的挥发温度为50℃时,用工业级原料完全可以制备出碳纳米管,此时,碳纳米管的内径分布在0.88~1.15 nm.     

聚3-戊酰基吡咯/多壁碳纳米管复合材料的制备与电导率研究

通过原位化学聚合法制备了聚3-戊酰基吡咯(PVPy)/多壁碳纳米管(MWNTs)复合材料.利用傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、热重分析(TGA)与四探针法对样品的结构和性能进行了研究.FT-IR表明,PVPy与MWNTs分子间存在相互作用力.TEM显示,3-戊酰基吡咯(VPy)单体仅在MWNTs的外表面发生聚合.XRD谱显示,PVPy/MWNTs复合材料中MWNTs的两个特征结晶峰强度随着VPy/MWNTs原料比增加而逐渐降低,主要表现出PVPy的结晶峰.电导率测试结果表明,通过MWNTs与PVPy复合,可以显著的提高PVPy/MWNTs复合材料的导电性,其电导率分别为2.37 S/cm(VPy/MWNTs=2.5/1)与0.25 S/cm(VPy/MWNTs=5/1).     

Synthesis of individual ultra-long carbon nanotubes and transfer to other substrates

In this article, we report the synthesis of ultra-long carbon nanotubes (CNTs) by thermal chemical vapour deposition method. Ultra-long, individual and aligned CNTs were directly grown on a flat silicon substrate. The orientation of the nanotubes was found parallel to the gas flow direction. The ultra-long CNTs were grown with different transition metallic salts, such as nickel chloride, iron (III) chloride, cobalt acetate and ruthenium acetate, as the catalysts. The influence of the growth conditions, such as growth temperature, reactive gas flow on the length and alignment of the CNTs was studied in detail. By using different catalysts, ultra-long single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) or multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) were successfully grown. These ultra-long CNTs were transferred to other substrates by two methods. (1) The first method is to use polydimethylsiloxane as a stamp. (2) The second method is to use KOH as an etching agent. The diameter and length of the CNTs were characterised by transmission electron microscope, scanning electron microscope, atomic force microscope and Raman spectroscopy. The results indicate that the length of the CNTs can reach up to 4?mm. The diameter of the SWCNTs is in the range of 0.7–2.1?nm and the diameter of the MWCNTs is approximately 150?nm.     

碳纳米管增强铝基复合材料的界面研究进展

碳纳米管以其稳定的结构、优异的力学性能,成为复合材料的理想增强相。其增强效果受多方面因素影响,界面是决定其增强效果的关键因素之一,也是金属基复合材料的研究重点。简要介绍了碳纳米管增强铝基(CNTs/Al)复合材料的界面结合机制及界面对复合材料性能的影响,评述了热膨胀系数、制备方法、碳纳米管纯度等多种因素对CNTs/Al复合材料界面的影响,并提出了改善界面的方法。     

导电炭黑填充硅橡胶的电阻温度系数

以炭黑(CB3100)为导电相,硅橡胶为基质制备导电复合材料。研究导电橡胶中炭黑质量分数对电阻温度系数的影响,并用填料对电阻温度系数的影响。以隧道效应理论为基础,给出了导电炭黑填充橡胶的电阻温度系数计算模型,结合实验得到温度对导电炭黑/硅橡胶电阻温度系数的影响主要体现在对其电阻率的影响;基体的体积热膨胀提高复合材料的电阻率,提高了正电阻温度系数;炭黑粒子间的隧道效应降低复合材料的电阻率,增强了负电阻温度系数;在炭黑/硅橡胶中加入少量碳纳米管,利用碳纳米管和炭黑的协同补强效应,使复合材料的导电性和稳定性提高。     

3D C/C复合材料的热膨胀性能

通过测定热膨胀系数(CTE),分析了不同密度以及高温处理前后热解炭基三维编织炭/炭复合材料(3DC/C复合材料)的热膨胀行为,并与PAN基炭纤维以及热解炭的热膨胀性能作了比较。结果表明:PAN基炭纤维在1200℃以后,出现明显的负膨胀。从室温到100℃,C/C复合材料呈负膨胀状态,CTE与密度成正比;从100℃到1000℃,C/C复合材料的CTE-温度曲线基本遵循热解炭基体的热膨胀规律变化;超过1000℃以后,CTE-温度曲线出现峰值,表明热解炭的膨胀受纤维的限制。复合材料的热膨胀行为由纤维和基体二者决定。     

PLLA/CNTs复合材料的非等温冷结晶

通过溶液共混法制备了聚乳酸/碳纳米管(PLA/CNTs)复合材料,并利用差示扫描量热分析(DSC)研究了CNTs的种类、长度、直径和质量分数对不同升温速度下PLA非等温冷结晶性能的影响,结果表明,PLA/CNTs复合材料的玻璃化转变温度(Tg)和结晶峰温度(Tc)都随升温速度降低而逐渐降低,而结晶度和熔融温度(Tm)则升高。添加质量分数为0.1%的多壁碳纳米管(MWNTs)即可有效促进PLA的异相成核,提高其结晶速度和结晶度,以10℃/min升温冷结晶时,当CNTs用量达1%时会阻碍PLA的非等温结晶过程,并导致PLA复合材料的Tg、Tm和结晶度降低。MWNTs对PLA非等温结晶的促进作用比SWNTs或DWNTs明显,而较短的MWNTs比长MWNTs的作用略为明显。