碳納米管增強水泥基複合材料研究

《碳納米管增強水泥基複合材料研究》是依託大連理工大學,由徐世烺擔任醒目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：碳納米管增強水泥基複合材料研究
• 依託單位：大連理工大學
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：徐世烺

項目摘要

首先研究適於水泥基複合材料施工工藝和外加劑環境條件下的碳納米管分散技術，逐步提高水分散體碳納米管的濃度和穩定性，形成適合於水泥基複合材料研究的批量化分散技術，然後開展不同碳納米管含量的碳納米管增強水泥基複合材料的研製。從微觀水平上分析碳納米管增強水泥基複合材料增強增韌力學機理，重點觀測和研究碳納米管的顯微填料效應、納觀毛細孔釘扎機理和碳納米管微觀纖維橋聯增韌效應以及碳納米管脫粘、拔出過程，探索碳納米管增強水泥基複合材料合理配製科學依據和原理。研究改善水泥基複合材料脆性特徵的有效途徑，系統研究碳納米管增強水泥基複合材料抗壓強度、抗拉強度、極限變形能力、斷裂韌度等基本力學性能。以期尋求改變水泥基複合材料的脆性特徵並根本上提高水泥基複合材料直接抗拉強度、拉伸應變和斷裂韌性材料指標的科學途徑，為開展新材料結構研究、探索水泥基複合材料向高端產品化發展、開闢新的套用領域打下一定的研究基礎。

結題摘要

碳納米管具有優異物理、力學性能，用其改善水泥基材料強度和韌性擁有廣闊前景；對超高韌性水泥基複合材料（UHTCC）基本力學性能深入系統研究是進一步改性的重要前提；利用納米材料改性是進一步提高UHTCC材料性能的重要手段。為此，本基金項目完成了下列研究工作：（1）開展多壁碳納米管分散性研究，在與企業合作的基礎上，利用表面活性劑技術和離心機加速分離技術，獲得了可以穩定保存達到3個月以上的碳納米管分散液；（2）開展碳納米管增強水泥基複合材料的力學性能研究，結果表明抗壓強度均隨著碳納米管摻量的增加而增大；（3）開展碳納米管增強水泥基複合材料微觀機理研究，SEM微觀分析顯示碳納米管在水泥水化產物中分散良好，觀察到碳納米管拔出、橋聯和網狀填充效應，與水泥水化產物之間相容性很好；（4）研究立足普通市售材料、工程實用的養護工藝，提出了新的攪拌方法——TSMT（three-speed mixing technique）法；（5）開展碳納米管增強水泥基複合材料的數值模擬研究，建立了碳納米管增強水泥基材料的有限元模型，並預測了碳納米管增強水泥基的有效拉伸應力-應變關係；（6）開展UHTCC軸壓特性研究，試驗結果顯示UHTCC在壓縮荷載作用下仍具有多縫開裂，其受壓變形能力約是普通混凝土的兩倍，峰值荷載後的延性和韌性明顯增加，此外還建議了UHTCC受壓本構模型；（7）針對UHTCC的多縫開裂行為和後多縫開裂行為，在微觀力學、斷裂力學和數理統計的基礎上，分析了UHTCC的應變硬化過程，並建立了相應的理論模型，可用於複合材料的最佳化設計和材料巨觀性能的預測；（8）通過四點彎曲試驗研究了厚度尺寸對UHTCC彎曲性能的影響，結果表明，厚度在100 mm範圍內，彎曲強度、中和軸高度比和裂縫寬度演變等彎曲性能基本與試件厚度無關，可以認為是UHTCC固有的材料屬性，同時提出了改善的韌性評價方法以評價厚度對UHTCC彎曲韌性的影響，並基於彎矩-面積方法，建立了四點彎曲荷載作用下跨中撓度的理論解；（9）提出了可用於確定多縫開裂應變硬化材料面內斷裂能的試驗及分析方法，並用該方法確定了UHTCC的面內斷裂能；（10）開展納米膠凝材料改性UHTCC研究，結果表明納米材料可有效改善UHTCC的微觀結構，明顯提高材料的抗壓強度尤其是利於早期強度發展，同時也使UHTCC彎曲性能得到明顯改善。