纳米碳黑碳纤维水泥基复合材料长期力电性能的研究.pdf

汕头大学 硕士学位论文 纳米碳黑/碳纤维水泥基复合材料长期力电性能的研究 姓名：李志飞 申请学位级别：硕士 专业：结构工程 指导教师：赵晓华 20090501 汕头大学硕士学位论文 I 摘 要 本文在素水泥砂浆中按不同比例掺入纳米碳黑或碳纤维，对纳米碳黑水泥基复合材 料、 碳纤维水泥基复合材料和纳米碳黑/碳纤维水泥基复合材料的长期力学性能和压阻性能 进行了大量试验研究，并与素水泥砂浆进行比较具体内容包括：一、纳米碳黑和碳纤维 对水泥基复合材料力学性能的影响；二、研究了纳米碳黑和碳纤维在不同龄期对水泥基复 合材料的压阻性能的影响；三、研究了各水泥基复合材料压阻性能的灵敏度和可逆性；四、 分析了纳米碳黑和碳纤维对各水泥基复合材料的力电性能的机理，分别对纳米碳黑和碳纤 维的力学增强机理和导电机理进行了探讨 试验表明，掺入适量纳米碳黑的水泥基复合材料在不同龄期的抗压和抗折强度均比素 水泥砂浆有所提高；而掺入适量碳纤维的水泥基复合材料在不同龄期的抗压强度均低于素 水泥砂浆，抗折强度高于素水泥砂浆；同时掺入纳米碳黑和碳纤维的水泥基复合材料则介 于两者之间，但并非线性关系研究同时表明，纳米碳黑和碳纤维对水泥基复合材料的压 阻性能具有良好的改善作用：与素水泥砂浆相比，加入导电材料有利于减小电阻，提高水 泥基复合材料的压阻性能的稳定性。

水泥基复合材料的压敏特性与含水量密切相关：含水 量很高和很低时均表现为正压敏性，中间阶段表现为负压敏性，而正、负压敏性转变过程 中均出现正负混合压敏性的短暂过渡阶段；掺量为 0.75wt％的纳米碳黑水泥基复合材料的 正、负压敏性的过渡阶段最短暂，而素水泥砂浆的过渡阶段最长而且，各水泥基复合材 料压敏性的灵敏度和可逆性与所受应力大小和含水量密切相关最后，对水泥基复合材料 的力电性能的机理和模型进行了探讨和分析 关键词：纳米碳黑；碳纤维；复合材料；含水量；力学性能；压阻性能 汕头大学硕士学位论文 II Abstract The long-term mechanical properties and pressure-electrical behaviors of cement-matrix composites containing nano-sized carbon black or carbon fibers in different proportion were studied in this experimental research. Results show that when the addition of nano-sized carbon black is appropriate, both the compressive strength and the flexural strength of the cement-matrix composites are improved at different age; when the addition of carbon fibers is appropriate, the compressive strength of the cement-matrix composites are diminished, but the flexural strength of the cement-matrix composites are improved; When an appropriate amount of carbon fibers and nano-sized carbon black are put into the cement-matrix composites at the same time, both the compressive strength and the flexural strength of the cement-matrix composites are between the above two composites, but the variety is not linear. Meanwhile, the electrical behaviors of cement-matrix composites containing carbon fibers or nano-sized carbon black are steadier. Compared with the plain cement-matrix composites, the original resistances are decreased and have better function on pressure-sensing ability. Results also show that the relative change in resistance ((R-R0)/R0) varies with moisture content of the cement-matrix composites. With very high or low moisture content, the cement-matrix composites demonstrate the positive pressure sensitivity. However, when moisture content is appropriate, the cement-matrix composites present the negative pressure sensitivity. Moreover, there is a transition between the positive phase and the negative phase. During that transition, the both sensitivities are occurred in one loading-to-unloading process. Results show that with the addition of nano-sized carbon black in the amount of 0.75%, the transition of pressure sensitivity is the shortest; while the plain cement-matrix composite is the longest. Moreover, the sensitivity and reversibility of cement-matrix composites are affected by both the stress and moisture content. The mechanism for the mechanical properties and electrical behaviors of cement-matrix composites is discussed. Keywords: Nano-sized carbon black; Carbon fibers; Composites; Moisture content; Mechanical properties; Pressure-electrical behaviors. 学位论文原创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的工作研究及取得的研究成果。

论文中 除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或其它机构已经发表或撰 写过的研究成果对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在论文中以明 确方式标明本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担 作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文使用授权声明 本人授权汕头大学保存本学位论文的电子和纸质文档，允许论文被查阅和 借阅；学校可将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或其它复制手段保存和汇编论文；学校可以向国家有关部 门或机构送交论文并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分 内容对于保密的论文，按照保密的有关规定和程序处理 本论文属于：保密（ ） ，在 年解密后适用本授权声明 不保密（ ） （请在以上括号内打“√” ） 作者签名： 导师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 汕头大学硕士学位论文 1 第一章 绪论 1.1 引言 大型土木结构工程和基础设施的使用期都长达几十年、 甚至上百年 在其服役过程中， 由于环境载荷作用、疲劳效应、腐蚀效应和材料老化等不利因素的影响，结构将不可避免 地产生损伤积累、抗力衰减，甚至导致突发事故。

加强大型土木工程结构的健康检测，预 防重要基础设施突发事故的发生，进而避免重大经济和社会效益的损失已经成为土木结构 的一个研究热点随着现代科学的不断进步，作为最主要的建筑材料之一的混凝土已逐渐 向高强、高性能、多功能和智能化发展[3]智能材料结构来自于美国和日本科学家提出的 材料新概念，是指能够接受响应外部环境的信息而自动改变自身状态的一种新型材料具 体而言就是模仿生命系统、能感知环境变化并能实时地改变自身的一种或多种性能参数， 自身能够作出与变化后的环境相适应的、自我调整的复合材料它不但可以判断环境，而 且还可顺应环境，即具有类似于活的生物肌体组织那样的病变自诊断、外部伤口自愈合、 环境自适应、预告寿命、甚至自分解、自学习、自增值、自组装、自恢复、应对外部刺激 自身积极发生变化等功能效应[1]20 世纪 80 年代中期，智能材料的概念提出后，有些科 学家就将这种智能思想引用到建筑材料中，作为建筑物的大宗材料――混凝土更是科学家 研究的热点，于是就有了智能混凝土的诞生；而且，它代表着 21 世纪先进新材料发展的 一个方向智能化混凝土材料是指在工程环境系统中，能以某种形式接受环境信息，并能 自觉地进行逻辑判断，同时做出与工程设计或使用特性相适应反应的混凝土相关材料。

这 种智能化的材料具有接受、传递、显示、输出以及加工处理信息的能力智能混凝土材料 的研究经历了初级阶段和智能组装过渡阶段的探索后，仍然有很多实际应用问题需要进一 步克服和深入研究智能混凝土的研究现状包括自感应、自诊断智能混凝土，自调节混凝 土和自修复混凝土等其中，自诊断智能混凝土具有压敏性等性能混凝土材料本身并不 具备自感应功能，但在混凝土基材中复合部分导电相可使混凝土具备本征自感应功能目 前常用的导电组分可分三类，聚合物类、碳类和金属类其中最常用的是碳类和金属类 碳类导电组分包括石墨、碳纤维及碳黑，金属类材料则有金属微粉末、金属纤维、金属纤 维、金属片、金属网等 纳米材料和纳米技术的出现，为传统的水泥混凝土的改造提供了前所未有的广阔前 景纳米材料由于具有小尺寸效应、量子效应、表面及界面效应等优异特性，因而能够在 汕头大学硕士学位论文 2 结构或功能上赋予其所添加体系许多不同于传统材料的性能纳米结构型复合水泥材料是 通过添加纳米材料或纳米复合材料使水泥的结构性能得到明显的改善和改变因为纳米材 料不但可以填充水泥的空隙，提高混凝土的流动度，更重要的是还可以改善水泥混凝土中 水泥石与骨料的界面结构，使水泥混凝土的强度、韧性、抗渗透性及耐久性等结构性能得 以提高。

因此，本文尝试对水泥砂浆掺入不同比例的纳米碳黑和碳纤维，对它们进行长期 的力学性能和压阻性能的跟踪测试，并对结果进行总结和分析 智能化是现代人类文明发展的趋势，发展智能混凝土材料是智能化时代的产物，它在 重大土木基础设施的应变的实量监测、损伤的无损评估、及时修复以及减轻台风、地震的 冲击等诸多方面有很大的潜力，对确保建筑物的安全和长期的耐久性都极具重要性而且 在现代建筑。