碳纳米管水泥基复合材料的力学性能和抗冻性能研究

作为新型纳米材料,碳纳米管(MWCNTs)已经应用于水泥基材料中用以改善水泥基材料性能.本文采用十六烷基三甲基溴化铵作为分散剂将碳纳米管均匀分散于水泥材料中制备成碳纳米管水泥基复合材料,并细致研究了其力学性能和抗冻性能.结果表明碳纳米管的加入能够有效的增加水泥基材料的力学性能和抗冻性能.当碳纳米管的掺量为0.1％时,碳纳米管水泥基复合材料的力学性能达到最大,其抗折强度和抗压强度分别为17.5MPa和92.3 MPa.在300次冻融循环过程中,碳纳米管水泥基复合材料的质量损失率和动弹模量变化率偏低,表明碳纳米管水泥基复合材料的抗冻性得到了增强.SEM微观分析表明,碳纳米管在水泥基材料中起到了桥联和拔出效应,能够有效的延缓和阻止水泥基材料受到外界的破坏.     

碳纳米管水泥基复合材料高温力学性能实验研究

研究多壁碳纳米管(MWCNTs)掺量(0wt％、0.05wt％、0.08wt％、0.10wt％、0.20wt％)对碳纳米管水泥基复合材料(CNT/CC)高温力学性能的影响.分别测试了常温时以及200℃、400℃、600℃和800℃高温后CNT/CC净浆试件的质量损失、抗折强度和抗压强度.结果表明:MWCNTs的加入能够降低水泥基体内部蒸汽压和温度梯度,有效地提高水泥基体抗高温爆裂能力.MWCNTs的掺入可在一定程度上降低水泥基材料的高温质量损失,但掺量过大时由于催化剂的热分解,质量损失会有所增加.热作用时,MWCNTs表面和端部易产生一些亲水基团和缺陷位,在一定程度上缓解了水泥基复合材料高温性能的劣化.800℃后,CNT/CC的相对残余抗折强度和相对残余抗压强度分别约为30％ ～35％和45％ ～50％.     

早龄期CNTs增强水泥基复合材料的性能研究

研究了碳纳米管增强水泥基复合材料的力学及电学性能.水泥基体中掺入碳纳米管后,水泥基复合材料的抗折、抗压强度出现了显著地增强,并且复合材料的平均电阻率出现了明显地降低.当掺入0.08wt％的CNTs时,CNTs-008水泥基复合材料的抗折、抗压强度最优,分别增强到11.0 MPa、58.8 MPa,比空白水泥基的抗折、抗压强度分别增强近41.0％和36.7％.XRD和TGA的结果证明,CNTs掺入水泥基体后可以提高早龄期下复合材料水泥基体的水化速度,从而对水泥基体有明显的增强、增韧效果.当掺入0.1wt％的CNTs后,CNTs-010试样中的平均电阻率下降至32.3Ω·m,相比空白样品CNTs-000的63.3Ω·m,降幅达到了48.9％.根据试样的压敏性能测试发现,CNTs-008具有良好的压敏性能,样品的平均电阻率随着压应力的增加,出现了线性降低的趋势.     

碳纳米管水泥基复合材料压阻效应的多尺度研究进展

碳纳米管水泥基复合材料具有多尺度的非均一性,其宏观尺度的性能是其各级低阶尺度本质的偶联映射,故而多尺度分析碳纳米管水泥基复合材料性能机理至关重要。本文从宏观、细观、微观和纳观四个尺度,综述了碳纳米管水泥基复合材料压阻效应的多尺度试验、机理和模型等方面的研究进展。总结了现有研究在骨料、孔隙结构、界面过渡区、外部环境因素以及理论模型等方面存在的局限或不足,并提出微纳观结构、理论模型等方面需进一步研究。     

多壁碳纳米管/聚苯硫醚管复合材料的电磁性能

采用熔融共混法制备了多壁碳纳米管/聚苯硫醚复合材料,研究了在0.5~18 GHz频段,不同碳纳米管含量对复合材料电磁性能的影响。结果表明,介电常数实部与虚部随着碳纳米管含量的增加而增大, 介电常数实部在测量范围内随频率的增加而减小, 具有明显的频响特性;复合材料的磁导率随多壁碳纳米管含量的增加变化不明显, 呈弱磁性;通过对复合材料反射衰减的计算发现,当吸收层匹配厚度为2 mm 时,复合材料在0.5~18 GHz频段具有较好的微波吸收性能;当碳纳米管含量为7 %（质量分数,下同）时,反射衰减最大达- 31.5 dB ,反射衰减小于- 10 dB的频宽为2.2 GHz。     

酸化多壁碳纳米管/水性聚氨酯复合材料的制备与性能研究

采用混酸对多壁碳纳米管进行表面处理,通过共混法制备出酸化多壁碳纳米管/水性聚氨酯(WPU)复合材料。通过FT-IR,拉曼光谱,SEM表征了多壁碳纳米管酸化前后的结构,通过TGA、拉力测试以及SEM研究了复合材料的热性能、力学性能和微观结构。结果显示,多壁碳纳米管通过混酸处理后表面羧基化,管壁卷曲程度降低。与纯WPU相比,当添加量为1.5%时,复合材料的断裂伸长率增加29%,当添加量在2%时,复合材料的拉伸强度增加169%,酸化碳纳米管在聚氨酯(PU)基体中均匀分散。酸化碳纳米管的添加显著提高了复合材料的热稳定性和导电性。     

多壁碳纳米管分散性对水泥基材料导电性能和电热特性的影响

采用分散剂、超声处理及离心机分离作用,得到分散均匀、稳定状态的多壁碳纳米管(MWCNTs)悬浮液和分散不均匀、团簇状态的MWCNTs沉淀,分别将这两种状态的MWCNTs掺入水泥净浆中,研究MWCNTs分散性对水泥基材料电学性能和电热特性的影响.结果表明:MWCNTs在水泥基体中分散均匀时,随MWCNTs掺量的增加试块电阻率下降;当MWCNTs在水泥基体中分散不均匀时,试块的导电性与MWCNTs掺量没有明确的相关性.MWCNTs水泥净浆的电阻率均随测试温度的升高不断降低,当温度超过80℃时,电阻率趋于恒定,并且MWCNTs分散均匀时,水泥净浆电阻率受温度影响的程度随MWCNTs掺量增高而减小;MWCNTs在基体中分散效果好时,水泥净浆因通电引起的升温速率和幅度随着MWCNTs掺量增大而提高.     

多壁碳纳米管/环氧树脂复合材料的制备及性能研究

采用浇铸法制备了不同含量多壁碳纳米管(MWCNT)的MWCNT/环氧树脂(EP)复合材料。用扫描电镜观察了MWCNT/EP复合材料的微观结构,发现MWCNT均匀分散在EP中。研究了MWCNT/EP复合材料的导电逾渗行为,材料的逾渗值为0.033%。分析了复合材料的动态力学性能,结果表明MWCNT的加入提高了EP的固化交联程度和韧性,同时复合材料的玻璃化转变温度也有提高。     

不同应变率下多壁碳纳米管/天然橡胶复合材料的抗冲击性能研究

研究多壁碳纳米管(MWNTs)/天然橡胶复合材料在不同应变率下的抗冲击性能。结果表明:随着MWNTs用量的增大,复合材料的压缩弹性模量和吸能率增大,抗冲击性能提高;在MWNTs的用量相同时,复合材料的吸能率随着应变率的增大而增大,且增幅随着MWNTs用量的增大而变大。     

高密度聚乙烯/多壁碳纳米管和高密度聚乙烯/炭黑导电复合材料阻温特性的研究

采用溶液法制备了高密度聚乙烯/多壁碳纳米管（PE-HD/MWCNTs）和PE-HD/炭黑(CB)导电复合材料,并研究了该复合材料的阻温特性。结果表明,与PE-HD/CB复合材料相比,PE-HD/MWCNTs复合材料的室温电阻率更低,并且可以具有较高的正温度系数（PTC）强度和较小的负温度系数（NTC）效应,因而具有更加广泛的应用前景。同时通过对PE-HD/MWCNTs复合材料阻温全过程进行分析,发现PTC效应由碳纳米管向晶区扩散及基体体积膨胀效应共同导致,而NTC效应则是由于碳纳米管的热运动形成的相互接触所致,而并非粒子附聚。     

EP/GNs/MWCNTs复合材料的导热性能

以多壁碳纳米管(MWCNTs)和石墨烯纳米微片(GNs)为导热填料,环氧树脂(EP)为基体采用溶剂和超声分散法,制备了EP/GNs/MWCNTs导热复合材料,并与EP/MWCNTs及EP/GNs复合材料的导热性能进行了对比。采用透射电子显微镜观察其微观结构,采用Hot Disk热导率测试仪测试其导热性能,采用差示扫描量热法和热重分析仪测试其耐热性及热稳定性。结果表明,MWCNTs和GNs共同作为EP导热填料时,相比于单组分填料(MWCNTs或GNs)更易形成导热网络;EP的热导率、玻璃化转变温度(Tg)和热分解温度均随着MWCNTs或GNs含量的增加而提高,其中,GNs更有利于提高EP的热导率和热分解温度,MWCNTs更有利于提高EP的Tg。在相同的导热填料含量下,相对于其中的任一单一填料,MWCNTs/GNs共同作用时,对热导率的提高有更显著的效果,且随着其中GNs比例的增加,热导率逐渐增大。当GNs和MWCNTs的体积分数分别为0.6%和0.4%时,EP/GNs/MWCNTs复合材料的热导率、Tg和起始分解温度分别为0.565 W/(m·K),152℃和316℃,分别比纯EP提高了132.5%,34.5%和8.2%。     

POM/GF-MWCNTs复合材料的制备及其性能研究

将经γ氨丙基三乙氧基硅烷（KH550）处理后的多壁碳纳米管（MWCNTs）接枝到玻璃纤维（GF）表面,制成GF-MWCNTs复合填料,通过双螺杆挤出机熔融共混制备出聚甲醛（POM）/GF-MWCNTs复合材料,并对其力学性能、热性能及电性能进行了测试。结果表明,GF-MWCNTs添加量较低时,复合材料的拉伸强度和缺口冲击强度都有所提高,且分别在3 %（质量分数,下同）和1 %时达到最大值,之后则随着填料含量的增加而不断降低;当GF-MWCNTs的添加量达到10 %时,复合材料的拉伸强度和缺口冲击强度已然低于纯POM;加入GF-MWCNTs提高了复合材料的热稳定性,使POM的结晶温度和结晶度提高;GF-MWCNTs能降低复合材料的体积电阻率,但由于未在POM基体中形成逾渗网络,复合材料导电性提高并不明显。     

1,2-聚丁二烯/碳纳米管复合材料的制备与性能

采用哈克转矩流变仪分别将多壁碳纳米管(MWCNT)及聚合物包覆多壁碳纳米管(P-MWCNT)与1,2-聚丁二烯橡胶(1,2-PB)共混,制备1,2-PB/碳纳米管复合材料。研究了MWCNT用量对1,2-PB的硫化行为、拉伸性能和导电性能的影响及硫化胶的动态力学性能。结果表明,将MWCNT与液体聚丁二烯(PB)研磨,可使聚合物包覆在MWCNT表面,提高MWCNT在1,2-PB橡胶中的分散性,增强MWCNT与1,2-PB的界面粘合力。1,2-PB与MWCNT共混所制得的硫化胶物理性能优于1,2-PB/P-MWCNT。MWCNT能显著提高硫化胶的导电性能。     

钢渣对碳纤维水泥基材料温敏性能的影响

通过试验研究了钢渣对碳纤维水泥基材料在升温和降温过程中的Seebeck系数及电阻率的影响。研究结果表明：在碳纤维水泥基材料中掺入钢渣,可以提高水泥基材料Seebeck系数,随着钢渣掺量的增加,碳纤维水泥基材料的Seebeck系数先增大后减小;电阻率随着钢渣掺量的增加而减小,并且存在渗流现象。     

聚合物/碳纳米管导电复合材料研究进展

综述了聚合物/碳纳米管复合材料的制备方法及其电学性能的研究进展。评述了聚合物/碳纳米管复合材料常用的制备方法,包括溶液共混、熔融共混、原位聚合等,特别强调碳纳米管在聚合物基体中的分散;介绍了采用聚乙烯、环氧树脂等为基体的碳纳米管复合材料电学性能研究的两个方面:导电渗流行为和正温度系数效应;对聚合物/碳纳米管导电复合材料研究中存在的问题如工艺改进、机理解释等进行了讨论,并展望了这一类材料的发展前景。     

聚苯乙烯/多壁碳纳米管复合材料的阻燃性能

综述了近年来聚苯乙烯/多壁碳纳米管复合材料的阻燃研究进展,详细介绍了其热解性能（包括热解温度和玻璃化转变温度）以及燃烧性能（包括热释放速率、质量损失速率和成炭性）,并对相关机理进行了深入的探讨,分析了多壁碳纳米管含量、长径比、杂质及表面改性处理对相应复合材料的热稳定性及阻燃性能的影响。     

多壁碳纳米管在水泥浆中的分散性

分别采用聚羧酸减水剂、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、洗衣粉（XYF）等3种表面活性剂并结合超声波分散方法,研究了多壁碳纳米管（MWCNTs）在水中和水泥浆中的分散性及其对水泥强度的影响,采用人工观察和扫描电子显微镜分别评价了MWCNTs在水中的分散性和在水泥硬化体中的分布情况。结果表明：单独采用减水剂为分散剂并在超声波分散条件下,MWCNTs在水中和水泥浆中容易发生团聚,无法起到增强作用;在超声波分散作用下,采用PVP和XYF为分散剂能够显著提高MWCNTs在水中和水泥浆中的分散性,PVP大幅度提高了水泥硬化体强度,但XYF却使强度大幅度降低,这是因其具有的较强起泡功能使水泥硬化体中的气泡量增加、气孔尺寸提高,并形成一些较大孔隙,从而显著降低了水泥石的密实性。     

碳纤维-钢纤维水泥基复合材料电学性能试验研究

为优化水泥基复合材料的电学性能,以碳纤维(CF)和钢纤维(SF)为导电材料,通过抗压强度试验、交流阻抗测试、扫描电镜测试和升温试验,研究了碳纤维和钢纤维的体积掺量对水泥基复合材料抗压强度和电学性能的影响。结果表明,碳纤维-钢纤维水泥基复合材料的抗压强度随碳纤维掺量增大呈先增大后减小的趋势。碳纤维、钢纤维的渗滤阈值分别为0.35%和0.6%(均为体积分数),复掺碳纤维和钢纤维使水泥基复合材料的导电性能大幅增强,产生了明显的正向混杂效应,碳纤维和钢纤维体积掺量达到渗滤阈值后,继续增大纤维掺量对导电性能的提升作用不大。用ZSimp Win软件拟合得到等效电路各电路元件数值,并结合SEM照片分析了导电机制。碳纤维-钢纤维水泥基复合材料具有良好的电热性能,当输入功率为7.9 W,通电30 min、60 min、90 min后,其平均温度可达到33℃、43℃、50℃,通过曲线拟合得到了温度随时间变化的回归方程。