發(fā)布時間：2020-07-13 09:32

【摘要】：多層石墨烯(multi-layer graphenes,MLGs)作為二維納米碳材料,既具有高強度、高彈模、強韌性等優(yōu)異的力學(xué)性能,又具有優(yōu)異的導(dǎo)熱、導(dǎo)電、電磁波屏蔽/吸收等功能性能,同時密度低、化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性好,將其與水泥基材料復(fù)合有望獲得兼具優(yōu)異力學(xué)性能和功能/智能性能的復(fù)合材料。因此,本文圍繞MLGs水泥基復(fù)合材料的制備工藝、硬化前的流變性能,水化性能,以及硬化后的力學(xué)性能、導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能、感知性能和電磁波屏蔽/吸收性能開展研究。主要內(nèi)容和結(jié)論如下:(1)采用物理分散和化學(xué)分散相結(jié)合的方法將MLGs復(fù)合到水泥基材料中,并通過觀察其微觀結(jié)構(gòu)和電阻、電容以及交流阻抗的離散性的方法評價MLGs在水泥基體中的分散效果;分析了MLGs水泥漿的流變特征曲線,選擇流變模型計算流變參數(shù),研究了MLGs對水泥漿流變行為的影響規(guī)律;分析了復(fù)合材料的水化性能。研究結(jié)果表明,超聲處理結(jié)合慢速和高速攪拌以及結(jié)合聚羧酸高效減水劑分散的方法可將MLGs均勻地分散于水泥基體中;結(jié)合復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)定性觀察和宏觀性能離散性定量計算可有效地評價MLGs在水泥基體中的分散效果;由于MLGs具有高比表面積,其摻入導(dǎo)致水泥漿流動性降低,MLGs水泥漿的粘度隨MLGs摻量增加先緩后快增大,MLGs水泥漿的流體行為接近于脹塑性流體;摻加MLGs能夠減小復(fù)合材料水化產(chǎn)物中的氫氧化鈣晶體的取向指數(shù),提高復(fù)合材料3d和28d水化程度,但不影響90d水化程度。(2)研究了MLGs摻量對水泥基復(fù)合材料抗壓強度、抗折強度、彈模、耐磨性、硬度、以及阻尼性能的影響規(guī)律,并通過計算MLGs在水泥基體中的分布結(jié)合MLGs水泥基復(fù)合材料的微觀硬度和導(dǎo)熱性能以及微觀結(jié)構(gòu)分析探討了MLGs對水泥基復(fù)合材料力學(xué)性能的影響機理。研究結(jié)果表明,MLGs可顯著增強水泥基材料的力學(xué)性能,其抗壓強度、抗折強度、彈性模量、耐磨性能、硬度和阻尼比增強分別可高達(dá)47.7%、20.45%、24.5%、70.88%、150%和45.1%;MLGs的增強機制主要由于納米小尺寸和二維形態(tài)效應(yīng)易在水泥基體中分布形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、成核作用降低復(fù)合材料水化產(chǎn)物中氫氧化鈣晶體取向指數(shù)、增強水泥基復(fù)合材料導(dǎo)熱性能從而減少因溫度應(yīng)力產(chǎn)生的原生裂紋、在水化初期吸附水降低水灰比和水化后期釋放水形成內(nèi)部自養(yǎng)護以及橋聯(lián)作用阻斷/延遲微小裂縫的擴展等作用。(3)研究不同MLGs摻量的水泥基復(fù)合材料的導(dǎo)電性能并分析其導(dǎo)電機理,通過交流阻抗譜分析其等效導(dǎo)電通路進而建立了導(dǎo)電通路模型,同時基于有效介質(zhì)理論推導(dǎo)了MLGs摻量與復(fù)合材料導(dǎo)電性能的關(guān)系方程;采用準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)法研究了不同MLGs摻量的水泥基復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能(包括導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容),并結(jié)合MLGs的性能分析其對復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的影響機制。研究結(jié)果表明,MLGs的摻入可使水泥基復(fù)合材料的導(dǎo)電性能最多增強120倍;MLGs水泥基復(fù)合材料導(dǎo)電滲流閾值約為2%的MLGs,且當(dāng)MLGs摻量達(dá)到9%時出現(xiàn)二次滲流現(xiàn)象;MLGs水泥基復(fù)合材料導(dǎo)電通路模型可以簡化為串并聯(lián)導(dǎo)電通路模型;隨著MLGs摻量增加,復(fù)合材料的孔溶液電阻逐漸減小;通過Fixman與電阻率公式結(jié)合以及有效介質(zhì)方程可建立導(dǎo)電填料摻量與復(fù)合材料電阻率之間的關(guān)系方程;MLGs水泥基復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能隨MLGs摻量的增加而增強,但比熱容降低,導(dǎo)熱系數(shù)增加和比熱降低最大分別為76.85%和17.7%,這是由于MLGs高的導(dǎo)熱性能。(4)研究了單軸受壓下不同MLGs摻量的水泥基復(fù)合材料的直流、交流的電阻變化性能(即壓敏性),分析了MLGs摻量、水灰比、加載速度、加載幅值、持荷、加載次數(shù)、基體種類以及試件尺寸等因素對復(fù)合材料壓敏性的影響;研究了MLGs水泥基復(fù)合材料的直、交流電阻和電容隨溫度的變化性能(即溫敏性能);探討了MLGs水泥基復(fù)合材料壓敏和溫敏性能的產(chǎn)生機理。研究結(jié)果表明,MLGs水泥基復(fù)合材料的應(yīng)力和應(yīng)變靈敏度分別可達(dá)0.8%/MPa和156,應(yīng)變靈敏度系數(shù)是常用的金屬應(yīng)變片的50-80倍;MLGs的分散狀態(tài)與MLGs水泥基復(fù)合材料的壓敏性密切相關(guān),小摻量MLGs低分散性有利于導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)形成而高分散性不利于導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)形成從而影響復(fù)合材料導(dǎo)電性和壓敏性;復(fù)合材料的壓敏性不受試件尺寸的影響,直流兩電極法和交流兩電極法測試的壓敏性的結(jié)果基本相同;MLGs水泥基復(fù)合材料在靜態(tài)、快速等加載下的壓敏響應(yīng)均具有良好的穩(wěn)定性和重復(fù)性;MLGs水泥基復(fù)合材料的溫敏性能的靈敏度隨著MLGs摻量的增加而減小,但線性度增大。(5)研究了MLGs摻量對水泥基材料電磁參數(shù)的影響規(guī)律,并在此基礎(chǔ)上計算了復(fù)合材料的電磁波屏蔽效能和吸波反射率,分析了MLGs對水泥基復(fù)合材料的電磁波屏蔽和吸收性能的影響機理;比較了MLGs水泥凈漿和砂漿的電磁波屏蔽和吸收性能,并制成平板測量其電磁吸波性能并與理論計算值進行比較以驗證理論計算方法的可靠性。結(jié)果表明,MLGs水泥基復(fù)合材料的電磁波屏蔽性能和吸收性能分別最多增強95%和9倍;MLGs水泥基復(fù)合材料對電磁波的吸收損耗以介電損耗為主,基本無磁損耗;采用間接法測量電磁波參數(shù)的方法可有效描述和預(yù)測MLGs水泥基復(fù)合材料的電磁波屏蔽和吸收性能。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TQ127.11;TU528
【圖文】：

圖 2-1 MLGs 特性：a) MLGs 的透射電鏡照片F(xiàn)igure 2-1 Characteristics of MLGs：a) transmwater adsorption of MLGs along w2.2.2 制備工藝2.2.2.1 凈漿的制備工藝水泥基復(fù)合材料的投料順序根據(jù)導(dǎo)順序可分為濕拌法和干拌法。在水溶液填料相對于水泥的投入時間又包括先摻后加入的方法為干拌法，也稱為同摻法藝采用先摻法，這是因為 MLGs 粒徑非在攪拌器皿和攪拌葉片上造成損失，而程如圖 2-2 所示，具體為：（1）將聚羧（2）將稱量好的 MLGs 分批加入到減水Ultrasonic 生產(chǎn)的 2510 E-DTH（100W 41 小時以制備分散均勻的懸浮液；（3）

圖 2-3 MLGs 水泥基復(fù)合材料場發(fā)射電子顯微鏡照片: a) 20000x; b) 50000xFigure 2-3 FESEM images of MLGs filled cementitious composites: a) 20000x; b) 50000x2.2.2.2 砂漿的制備工藝表 2-2 給出 MLGs 砂漿復(fù)合材料的配合比。表 2-2 MLGs 水泥砂漿復(fù)合材料配合比Table 2-2 Mix proportions of cement motar composites filled with MLGs試樣 MLG 摻量 (vol. %) 水灰砂比 減水劑摻量 (vol. %)MLG-0 0 0.6:1:3 1MLG-1 1 0.6:1:3 1MLG-5 5 0.6:1:3 1MLG-10 10 0.6:1:3 1MLG-15 15 0.6:1:3 1圖 2-4 給出 MLGs 砂漿復(fù)合材料的制備流程：1）清理模具，刷涂脫模劑；2）稱好填料，超聲處理 1h，然后倒入清理好的攪拌鍋中；3）先加水泥，以 62r/min 慢速攪拌 60s，再以 125r/min 快速攪拌 30s；

a）（80000×） b）（70000×）圖 2-5 MLGs 摻量為 1.5%的水泥基復(fù)合材料的 FESEM 照片F(xiàn)igure 2-5 FESEM images of the cementitious composites filled with 1.5 vol.% MLGs水泥基復(fù)合材料的電阻值及其電阻的離散性等也可以被用作來評價 MLGs在水泥基體中的分散狀況的指標(biāo)，是因為同一摻量的 MLGs，當(dāng)其得到均勻分散的時候，比沒有得到均勻分散的 MLGs 更容易在水泥基體中形成完整的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，所以分散得比較好的 MLGs 水泥基復(fù)合材料的導(dǎo)電性會更好、電阻均差更�。床煌嚰碾娮柚惦x散性小）。圖 2-6 給出所有摻量的 MLGs 水泥基復(fù)合材料的交流電阻的平均值和電阻的均差。2000400060008000平電阻均（ ）102030阻標(biāo)準(zhǔn)電差誤( )a) b)

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本文編號：2753275