本文關(guān)鍵詞：多尺度碳基水泥復(fù)合材料的導(dǎo)電、壓敏及電熱性能研究　出處：《哈爾濱工業(yè)大學(xué)》2014年碩士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：水泥基材料添加導(dǎo)電相，可顯著改善其導(dǎo)電性能，并可使材料具備諸如：壓敏、電熱、電磁屏蔽等多功能。本文采用碳纖維、碳黑、碳納米管三種多尺度碳基材料作為導(dǎo)電相，制備混摻碳基導(dǎo)電水泥復(fù)合材料，圍繞著復(fù)合材料的導(dǎo)電性能、壓敏性能以及電熱性能方面展開系統(tǒng)研究。主要內(nèi)容如下： 研究了多尺度碳基水泥復(fù)合材料的導(dǎo)電性能。通過單摻碳纖維、碳黑、碳納米管水泥復(fù)合材料的導(dǎo)電滲流曲線確定各自的滲濾區(qū)間，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行三者混摻配比優(yōu)化，制備了不同電阻率范圍的混摻試件，并得到了具有優(yōu)異導(dǎo)電性能的混摻配方。進(jìn)而結(jié)合SEM微觀分析和EDX分析，探討了三種多尺度碳基材料的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形成的機(jī)制。研究結(jié)果表明：三者混摻時(shí)水泥復(fù)合材料的電阻率均顯著小于它們各自單摻時(shí)的電阻率，導(dǎo)電性能改善明顯；三種碳基材料的多尺度效應(yīng)，使得水泥基體內(nèi)形成了豐富完善的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。 研究了多尺度碳基水泥復(fù)合材料的壓敏性能。通過單調(diào)加載和循環(huán)加載，對(duì)七種不同混摻配比試件的壓敏性能進(jìn)行了試驗(yàn)，進(jìn)而選取一種壓敏性能較好的試件，探討了兩個(gè)主要環(huán)境因素—溫度和濕度對(duì)其壓敏性能的影響，并進(jìn)一步研究了加載頻率對(duì)壓敏效應(yīng)的影響。研究結(jié)果表明：F02T15B1和F03T15B2混摻配比試件的壓敏性能表現(xiàn)較好，，F(xiàn)02T15B1電阻變化率達(dá)到9.5%，靈敏系數(shù)在42左右；隨著溫度的升高，電阻變化率先逐漸增大再減��；隨著濕度的增大，電阻變化率逐漸減小；電阻變化率隨加載頻率的增大而逐漸減小，且其傳感性能也在逐漸喪失，復(fù)合材料所能感知的最大加載頻率為0.5Hz。 研究了多尺度碳基水泥復(fù)合材料的電熱性能。采用熱電偶測(cè)試了各試件在室溫下電致熱過程的升溫曲線，進(jìn)而在低溫環(huán)境下，借助紅外攝像機(jī)，實(shí)際測(cè)試了試件的化冰性能。研究結(jié)果表明：各試件在室溫20V下通電30分鐘，均有較大幅度溫升，試件發(fā)熱性能良好，電壓增大為30V，試件發(fā)熱性能增強(qiáng)；低溫與室溫相比，相同電壓下，各試件溫升均大幅度降低；試件F03T15B3化冰顯著，低溫20V下，化冰效率為863J/g，電能有效利用率約為41.4%，電壓加大至30V，化冰量顯著增加，化冰效率提升27.2%，電能有效利用率提高了15.4%，可見電壓的提高能夠顯著提升碳基水泥復(fù)合材料的化冰效率。
[Abstract]:Adding conductive phase to cement-based materials can significantly improve its electrical conductivity and make the materials have many functions such as pressure-sensitive, electrothermal, electromagnetic shielding and so on. Carbon fiber and carbon black are used in this paper. Carbon nanotubes (CNTs) three kinds of multi-scale carbon-based materials are used as conductive phase to prepare carbon-doped conductive cement composites. The main contents of this paper are as follows: (1) A systematic study on varistor and electrothermal performance is carried out. The conductivity of multi-scale carbon matrix cement composites was studied. The percolation curves of carbon fiber carbon black and carbon nanotube cement composites were used to determine their percolation intervals. On the basis of this, we optimize the blending ratio of the three components, and prepare the different resistivity range of the mixed samples, and get the blending formula with excellent conductivity. Then, combined with the SEM microanalysis and EDX analysis. The formation mechanism of conductive network structure of three kinds of multi-scale carbon based materials is discussed. The results show that the resistivity of cement composites when mixed with each other is significantly lower than that of their single doped composites. The electrical conductivity was improved obviously. The multi-scale effect of three carbon-based materials results in the formation of rich and perfect conductive network structure in cement-based materials. The pressure-sensitive properties of multi-scale carbon matrix cement composites were studied. The pressure sensitivity properties of seven kinds of specimens with different mixing ratios were tested by monotone loading and cyclic loading. Then, two main environmental factors, temperature and humidity, were selected to study the effect of temperature and humidity on the pressure sensitivity. The effect of loading frequency on the varistor effect is further studied. The results show that the varistor properties of the specimens mixed with F02T15B1 and F03T15B2 are better. The change rate of F02T15B1 resistance is 9.5 and the sensitivity coefficient is about 42. With the increase of temperature, the change of resistance increases gradually and then decreases. With the increase of humidity, the change rate of resistance decreases gradually. The resistance change rate decreases gradually with the increase of loading frequency and its sensing performance is gradually lost. The maximum loading frequency of the composite is 0.5 Hz. The electrothermal properties of multi-scale carbon based cement composites were studied. The heating curves of the electrothermal process of each specimen at room temperature were measured by thermocouple, and then the infrared camera was used in the low temperature environment. The experimental results show that each specimen has a large temperature rise at room temperature 20 V for 30 minutes, and the heating property of the specimen is good, and the voltage increases to 30 V. The heating property of the specimen is enhanced; Compared with room temperature at low temperature, the temperature rise of each specimen decreases significantly at the same voltage. At 20 V low temperature, the ice reduction efficiency is 863 J / g, the effective utilization ratio of electric energy is about 41.4, the voltage increases to 30 V, and the amount of ice deicing increases significantly. The efficiency of ice removal was increased by 27.2g, and the effective utilization rate of electric energy was increased by 15.4.The increase of visible voltage can significantly improve the efficiency of ice removal of carbon based cement composites.
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：TU528

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