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基本信息

項目名稱：
碳納米管在增強水泥基復(fù)合材料力學(xué)性能中的應(yīng)用研究
小類：
能源化工
簡介：
本文將多壁碳納米管作為功能增強組分，重點研究不同分散工藝對多壁碳納米管在水性體系中的分散性能的影響，并嘗試將兩種較優(yōu)的分散工藝引入傳統(tǒng)的水泥混凝土材料基體中，制備碳納米管增強水泥基復(fù)合材料。通過對碳納米管增強水泥基復(fù)合材料的宏觀力學(xué)性能的測試，不僅得到了較理想的碳納米管分散工藝，還可為制造出性能優(yōu)越的碳納米管增強水泥基復(fù)合材料提供了依據(jù)。
詳細(xì)介紹：
通過對碳納米管增強水泥基復(fù)合材料的宏觀力學(xué)性能（抗壓強度、抗彎折強度）的測試研究碳納米管對水泥基材料力學(xué)性能的增強作用，不僅得到了較理想的碳納米管分散工藝，還可為制造出性能優(yōu)越的碳納米管增強水泥基復(fù)合材料提供了依據(jù)。實驗結(jié)果表明：聚乙烯吡咯烷酮(PVP)宜作為碳納管增強水泥基復(fù)合材料分散劑，用此分散劑制成的碳納米管水泥砂漿梁的撓曲強度和抗壓強度較素水泥砂漿梁均有顯著提高，最大提高幅度分別為23.78%和51.83%。碳納米管摻量存在一個最優(yōu)值（約為0.1wt%），當(dāng)小于此值時，碳納米管—水泥基復(fù)合材料的撓曲強度、抗壓強度、韌性提高效果顯著；當(dāng)大于此值時，其提高效果減弱。

作品專業(yè)信息

撰寫目的和基本思路

本項目選擇一種新型納米材料--碳納米管--作為水泥基復(fù)合材料的增強基以克服水泥材料抗拉、抗彎強度低，韌性差的缺點，同時改善其容易斷裂、經(jīng)常帶微裂縫工作的情況。項目較系統(tǒng)地研究了碳納米管在水泥基復(fù)合材料中的分散工藝、碳納米管增強水泥基復(fù)合材料的制備工藝以及碳納米管對水泥材料力學(xué)性能的改善作用。

科學(xué)性、先進(jìn)性及獨特之處

碳納米管具有十分優(yōu)異的力學(xué)性能，無論是強度還是韌性，都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他任何纖維，將碳納米管作為復(fù)合材料的增強體，可表現(xiàn)出良好的強度、彈性、抗疲勞性及各項同性。 本項目首先系統(tǒng)地研究了碳納米管分別在不同分散劑、不同分散工藝作用下的分散效果。在獲得較理想的分散效果后，用澆筑成型法使分散液與水泥基體復(fù)合，并對制備的標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行力學(xué)性能測試。

應(yīng)用價值和現(xiàn)實意義

發(fā)現(xiàn)摻有少量碳納米管的水泥基復(fù)合材料抗壓、抗彎強度有很大提高，可以滿足某些特殊場合（如地震、風(fēng)雪、大體積混凝土內(nèi)部復(fù)雜溫度應(yīng)力等）對材料高性能的要求，而且可起到較好的增韌效果，在未來的應(yīng)用中可克服水泥材料容易脆斷等缺點。

學(xué)術(shù)論文摘要

本文研究碳納米管在提高水泥基復(fù)合材料的強度和韌性等力學(xué)性能中的應(yīng)用。由于碳納米管在水性體系中極易發(fā)生團(tuán)聚，本文首先系統(tǒng)地研究了不同分散劑、不同分散工藝的分散效果。在理想的分散效果被獲得后，用澆筑成型法使分散液與水泥基體復(fù)合，并對制備的標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行了抗彎折及抗壓強度測試。實驗結(jié)果表明：聚乙烯吡咯烷酮(PVP)宜作為碳納管增強水泥基復(fù)合材料分散劑，用此分散劑制成的碳納米管水泥砂漿梁的撓曲強度和抗壓強度較素水泥砂漿梁均有顯著提高，最大提高幅度分別為23.78%和51.83%。碳納米管摻量存在一個最優(yōu)值（約為0.1wt%），當(dāng)小于此值時，碳納米管—水泥基復(fù)合材料的撓曲強度、抗壓強度、韌性提高效果顯著；當(dāng)大于此值時，其提高效果減弱。

獲獎情況

無

鑒定結(jié)果

無

參考文獻(xiàn)

無

同類課題研究水平概述

目前, 碳納米管在增強聚合物、金屬和陶瓷等材料性能中的應(yīng)用研究已比較多，相比之下，碳納米管在水泥基復(fù)合材料中的應(yīng)用報道卻很少。直到最近幾年，國、內(nèi)外學(xué)者才開始嘗試制備碳納米管增強水泥基復(fù)合材料，并研究碳納米管對水泥基材料力學(xué)、電學(xué)性能的改善作用。Campillo等（2003）最早報道了他們關(guān)于碳納米管增強水泥基復(fù)合材料的實驗研究，他們發(fā)現(xiàn)單壁、多璧碳納米管可分別使水泥凈漿的抗壓強度提高6% 和30%；Li等（2005）的研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)過H2SO4、HNO3表面處理的多壁碳納米管可使硅酸鹽水泥的抗壓強度和抗彎強度分別提高19%和25%；Saez de Ibarra等（2006）借助于原子力顯微鏡和納米壓痕實驗研究了單壁、多璧碳納米管對水泥楊氏模量和硬度的提高作用；Marrs等（2006）的研究發(fā)現(xiàn)適量地?fù)饺胩技{米管可使丙烯酸樹酯骨水泥的彎曲失效應(yīng)力提高13.1%，彎曲模量提高24.1%，Nien等（2010）通過實驗從不同角度驗證了碳納米管對丙烯酸樹酯骨水泥的力學(xué)性能具有明顯改善作用；我國學(xué)者羅健林和段忠東（2008）的實驗發(fā)現(xiàn)多璧碳納米管的摻量為0.1% 時水泥基復(fù)合材料的力學(xué)性能最好，抗折強度提高了17%, 抗壓強度提高了28.3%；Chan和Andrawes（2009,2010）發(fā)現(xiàn)0.25 %（重量比）的碳納米管摻入量制成的水泥復(fù)合材料的抗彎強度可提高25%；Chaipanich等（2010）研究了碳納米管對粉煤灰水泥抗壓強度的提高作用，發(fā)現(xiàn)在20%粉煤灰水泥中加入1%的碳納米管可使其抗壓強度達(dá)到51.8 Mpa。在國內(nèi)，我國學(xué)者在該領(lǐng)域也開展了一些相關(guān)的研究工作，但國內(nèi)從事該領(lǐng)域研究的學(xué)者非常少，據(jù)我們所知，目前只有哈爾濱工業(yè)大學(xué)段忠東教授的研究小組和同濟大學(xué)王培銘教授的研究小組在該領(lǐng)域開展過較系統(tǒng)的研究。 本文將多壁碳納米管作為功能增強組分，重點研究不同分散工藝對多壁碳納米管在水性體系中的分散性能的影響，并嘗試將兩種較優(yōu)的分散工藝引入傳統(tǒng)的水泥混凝土材料基體中，制備碳納米管增強水泥基復(fù)合材料。通過對碳納米管增強水泥基復(fù)合材料的宏觀力學(xué)性能（抗壓強度、抗彎折強度）的測試研究碳納米管對水泥基材料力學(xué)性能的增強作用，不僅得到了較理想的碳納米管分散工藝，還可為制造出性能優(yōu)越的碳納米管增強水泥基復(fù)合材料提供了依據(jù)。
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