【摘要】：碳納米管(Carbon nanotubes,以下簡稱CNTs)具有輕質(zhì)、高強(qiáng)度、高耐熱性、高比表面積等特殊性能,無論是強(qiáng)度還是韌性,都遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于任何纖維,被認(rèn)為是未來的“超級纖維”。碳納米管能改善水泥基復(fù)合材料的強(qiáng)度和韌性,顯著提高其耐久性,還可賦予水泥基復(fù)合材料導(dǎo)電導(dǎo)熱、電磁屏蔽、壓電等諸多新型功能性性能,為新一代的結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和功能復(fù)合材料提供了新的發(fā)展空間。因此,研究碳納米管對水泥基材料微結(jié)構(gòu)及宏觀性能的影響規(guī)律及機(jī)理,對這一新型復(fù)合材料的發(fā)展意義重大。全文緊緊圍繞碳納米管水泥基材料宏觀性能及微觀結(jié)構(gòu)的演化這一核心問題,結(jié)合碳納米管的分散技術(shù),分析了不同分散方法對其在水泥基材料中分散性的影響,提出了碳納米管在水泥基材料中分散性的定量表征方法；運用現(xiàn)代化的測試技術(shù),在微納米尺度上對水泥基復(fù)合材料中主要水化產(chǎn)物(不同密度CSH凝膠的組成)、未水化水泥顆粒、各層次界面、孔等信息進(jìn)行了定性和定量表征；分析了碳納米管對水泥基材料強(qiáng)度、韌性、耐磨性、彈性模量等宏觀力學(xué)性能的影響規(guī)律,結(jié)合微結(jié)構(gòu)演化規(guī)律,討論了碳納米管水泥基材料的微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能的之間的聯(lián)系；探討了碳納米管水泥基復(fù)合材料電阻率隨載荷的變化規(guī)律,結(jié)合復(fù)合材料的微結(jié)構(gòu)特征和機(jī)敏性分析,確定了碳納米管水泥基復(fù)合材料隨載荷變化的機(jī)敏性機(jī)理。本文取得的主要研究結(jié)論和創(chuàng)新性成果包括以下五個方面：(1)提出了碳納米管水性分散體的制備技術(shù)及其分散性的定量表征方法首先根據(jù)碳納米管的結(jié)構(gòu)特征,確定了超聲波分散與分散劑分散相結(jié)合的分散方法,根據(jù)透射電鏡的實驗結(jié)果,確定碳納米管分散體的分散性和穩(wěn)定性均較優(yōu)的分散制度為,先將分散劑緩慢加入水中,磁力攪拌2-3分鐘至均勻,緩慢加入碳納米管,再磁力攪拌2分鐘,然后攪拌好的分散液超聲分散30分鐘,采用聚乙烯吡咯烷酮為分散劑,分散劑與碳納米管的質(zhì)量比為2：1。然后,運用Image軟件對采用透射電鏡等測試技術(shù)獲取的圖像進(jìn)行二值化處理和1分析,運用基于統(tǒng)計方法的概率密度函數(shù)對碳納米管在水泥基材料中的分散性進(jìn)行表征,顆粒粒徑為自變量,以粒徑實際尺寸代替像素進(jìn)行表征,采用Gauss和Lognormal兩種函數(shù)分別擬合。根據(jù)擬合結(jié)果,確定采用Gauss函數(shù)擬合的碳納米管粒徑分布的統(tǒng)計概率密度函數(shù)曲線更為合理,在一定區(qū)間內(nèi)對曲線進(jìn)行積分,確定碳納米管分散性的定量表征值,用分散度R表示。(2)揭示了碳納米管水泥基材料微結(jié)構(gòu)的演化規(guī)律及其影響機(jī)理首先,采用SEM技術(shù)對碳納米管水泥基復(fù)合材料的界面過渡區(qū)微觀結(jié)構(gòu)形貌進(jìn)行了分析,并利用BSEM技術(shù)和圖形處理軟件相結(jié)合的方法對界面過渡區(qū)的孔結(jié)構(gòu)分布進(jìn)行了定量計算與表征；其次,利用SEM和能譜相結(jié)合的技術(shù)對碳納米管水泥基材料的水化產(chǎn)物進(jìn)行分析；然后,采用壓汞技術(shù)和計算機(jī)斷層掃描技術(shù)相結(jié)合的方法,對碳納米管水泥基復(fù)合材料的微孔結(jié)構(gòu)和宏細(xì)觀孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行整合分析。實驗結(jié)果顯示,礦物摻合料、基體的水膠比及碳納米管的分散性等因素均會對碳納米管水泥基材料微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響,分散性良好的碳納米管能夠起到納米晶核和微填充效應(yīng),有效改善水泥基材料的微結(jié)構(gòu)性能。(3)建立了碳納米管水泥基復(fù)合材料宏觀力學(xué)性能與微觀結(jié)構(gòu)特征之間的聯(lián)系通過研究碳納米管對水泥基復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、耐磨性、斷裂韌性等宏觀力學(xué)行為的影響,分析了碳納米管的分散性、基體水膠比、礦物摻合料等因素對其力學(xué)性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明,分散性良好的碳納米管可提高水泥基材料的宏觀力學(xué)性能。隨碳納米管摻量的增加,水泥砂漿的強(qiáng)度、耐磨性和斷裂韌性提高,當(dāng)碳納米管摻量為0.5%時,水泥砂漿28d抗折和抗壓強(qiáng)度分別提高了49.4%和40.8%。當(dāng)碳納米管摻量為0.2%時,水泥砂漿的磨耗值由10.1kg/m2降至4.5kg/m2。當(dāng)碳納米管摻量分別為0.2%和0.5%時,不摻加硅灰的水泥砂漿裂紋尖端張開口位移分別增大了29%和49%,而摻加硅灰的水泥砂漿則分別提高了210%和230%。然而,與碳納米管自身的優(yōu)異性能相比,實際增強(qiáng)增韌效果似乎與理論存在一定的差距。分析其原因可能為以下兩點：1)碳納米管摻量過低達(dá)不到閩值,或者摻量較高時分散不好,碳納米管的優(yōu)異性能未得到應(yīng)有的發(fā)揮：2)納米尺度上的增強(qiáng)增韌效果無法用宏觀尺度上的增強(qiáng)增韌效果進(jìn)行衡量。根據(jù)碳納米管水泥基材料微觀結(jié)構(gòu)特征的演化規(guī)律,結(jié)合其宏觀力學(xué)性能的變化,建立論了碳納米管水泥基材料宏觀力學(xué)性能與微結(jié)構(gòu)特征之間的有機(jī)聯(lián)系。(4)揭示了碳納米管水泥基材料的納米力學(xué)特性利用納米壓痕儀對不同碳納米管摻量下硬化水泥漿體的納米力學(xué)性能進(jìn)行了大量的研究,得出了低密度水化硅酸鈣凝膠(L C-S-H),高密度水化硅酸鈣凝膠(HC-S-H)、氫氧化鈣(CH)等的納米力學(xué)行為。實驗結(jié)果表明,碳納米管的加入改變了水泥水化產(chǎn)物的組成,壁碳納米管可以填充C-S-H凝膠的納米孔隙,減小水泥漿體的納米孔隙率,從納米尺度上改善了C-S-H凝膠的微觀結(jié)構(gòu),提高了C-S-H凝膠的彈性模量和壓痕硬度,進(jìn)一步從納觀尺度闡釋了碳納米管的改性機(jī)理。(5)闡釋了碳納米管對水泥基復(fù)合材料壓電機(jī)敏性的影響規(guī)律及機(jī)理探討了不同碳納米管摻量對復(fù)合材料體積電阻的影響,研究了復(fù)合材料電阻率隨載荷的變化規(guī)律,分析了復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)特征和壓電機(jī)敏性能。結(jié)果顯示,當(dāng)碳納米管摻量從0.0%增加到0.5%時,基體微結(jié)構(gòu)得到改善,水化產(chǎn)物結(jié)合較為緊密,碳納米管在基體中分散較好,基體無明顯缺陷。此時,碳納米管在水泥基體中間距較大,宏觀隧道導(dǎo)電效應(yīng)起到主導(dǎo)作用。當(dāng)碳納米管的摻量進(jìn)一步提高時,一些碳納米管相互搭接并形成導(dǎo)電通路,滲濾導(dǎo)電效應(yīng)開始起到主導(dǎo)作用,由滲濾導(dǎo)電理論控制的復(fù)合材料試件電阻降低幅度隨著壓力的增加反而降低。碳納米管在基體中的分散性開始下降并出現(xiàn)局部團(tuán)聚,導(dǎo)致基體致密程度下降并產(chǎn)生一定的缺陷,宏觀力學(xué)性能也有所降低。由此可見,只有摻量適宜的碳納米管均勻分布于水泥基體中,碳納米管水泥基復(fù)合材料才具有最佳的壓阻機(jī)敏特性。
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TB332

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本文編號：2513244