基本信息
- 项目名称：
- 碳纳米管在增强水泥基复合材料力学性能中的应用研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 本文将多壁碳纳米管作为功能增强组分，重点研究不同分散工艺对多壁碳纳米管在水性体系中的分散性能的影响，并尝试将两种较优的分散工艺引入传统的水泥混凝土材料基体中，制备碳纳米管增强水泥基复合材料。通过对碳纳米管增强水泥基复合材料的宏观力学性能的测试，不仅得到了较理想的碳纳米管分散工艺，还可为制造出性能优越的碳纳米管增强水泥基复合材料提供了依据。
- 详细介绍：
- 通过对碳纳米管增强水泥基复合材料的宏观力学性能（抗压强度、抗弯折强度）的测试研究碳纳米管对水泥基材料力学性能的增强作用，不仅得到了较理想的碳纳米管分散工艺，还可为制造出性能优越的碳纳米管增强水泥基复合材料提供了依据。实验结果表明：聚乙烯吡咯烷酮(PVP)宜作为碳纳管增强水泥基复合材料分散剂，用此分散剂制成的碳纳米管水泥砂浆梁的挠曲强度和抗压强度较素水泥砂浆梁均有显著提高，最大提高幅度分别为23.78%和51.83%。碳纳米管掺量存在一个最优值（约为0.1wt%），当小于此值时，碳纳米管—水泥基复合材料的挠曲强度、抗压强度、韧性提高效果显著；当大于此值时，其提高效果减弱。
作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 本项目选择一种新型纳米材料--碳纳米管--作为水泥基复合材料的增强基以克服水泥材料抗拉、抗弯强度低，韧性差的缺点，同时改善其容易断裂、经常带微裂缝工作的情况。项目较系统地研究了碳纳米管在水泥基复合材料中的分散工艺、碳纳米管增强水泥基复合材料的制备工艺以及碳纳米管对水泥材料力学性能的改善作用。
科学性、先进性及独特之处
- 碳纳米管具有十分优异的力学性能，无论是强度还是韧性，都远远高于其他任何纤维，将碳纳米管作为复合材料的增强体，可表现出良好的强度、弹性、抗疲劳性及各项同性。 本项目首先系统地研究了碳纳米管分别在不同分散剂、不同分散工艺作用下的分散效果。在获得较理想的分散效果后，用浇筑成型法使分散液与水泥基体复合，并对制备的标准试件进行力学性能测试。
应用价值和现实意义
- 发现掺有少量碳纳米管的水泥基复合材料抗压、抗弯强度有很大提高，可以满足某些特殊场合（如地震、风雪、大体积混凝土内部复杂温度应力等）对材料高性能的要求，而且可起到较好的增韧效果，在未来的应用中可克服水泥材料容易脆断等缺点。
学术论文摘要
- 本文研究碳纳米管在提高水泥基复合材料的强度和韧性等力学性能中的应用。由于碳纳米管在水性体系中极易发生团聚，本文首先系统地研究了不同分散剂、不同分散工艺的分散效果。在理想的分散效果被获得后，用浇筑成型法使分散液与水泥基体复合，并对制备的标准试件进行了抗弯折及抗压强度测试。实验结果表明：聚乙烯吡咯烷酮(PVP)宜作为碳纳管增强水泥基复合材料分散剂，用此分散剂制成的碳纳米管水泥砂浆梁的挠曲强度和抗压强度较素水泥砂浆梁均有显著提高，最大提高幅度分别为23.78%和51.83%。碳纳米管掺量存在一个最优值（约为0.1wt%），当小于此值时，碳纳米管—水泥基复合材料的挠曲强度、抗压强度、韧性提高效果显著；当大于此值时，其提高效果减弱。
获奖情况
- 无
鉴定结果
- 无
参考文献
- 无
同类课题研究水平概述
- 目前, 碳纳米管在增强聚合物、金属和陶瓷等材料性能中的应用研究已比较多，相比之下，碳纳米管在水泥基复合材料中的应用报道却很少。直到最近几年，国、内外学者才开始尝试制备碳纳米管增强水泥基复合材料，并研究碳纳米管对水泥基材料力学、电学性能的改善作用。Campillo等（2003）最早报道了他们关于碳纳米管增强水泥基复合材料的实验研究，他们发现单壁、多璧碳纳米管可分别使水泥净浆的抗压强度提高6% 和30%；Li等（2005）的研究发现经过H2SO4、HNO3表面处理的多壁碳纳米管可使硅酸盐水泥的抗压强度和抗弯强度分别提高19%和25%；Saez de Ibarra等（2006）借助于原子力显微镜和纳米压痕实验研究了单壁、多璧碳纳米管对水泥杨氏模量和硬度的提高作用；Marrs等（2006）的研究发现适量地掺入碳纳米管可使丙烯酸树酯骨水泥的弯曲失效应力提高13.1%，弯曲模量提高24.1%，Nien等（2010）通过实验从不同角度验证了碳纳米管对丙烯酸树酯骨水泥的力学性能具有明显改善作用；我国学者罗健林和段忠东（2008）的实验发现多璧碳纳米管的掺量为0.1% 时水泥基复合材料的力学性能最好，抗折强度提高了17%, 抗压强度提高了28.3%；Chan和Andrawes（2009,2010）发现0.25 %（重量比）的碳纳米管掺入量制成的水泥复合材料的抗弯强度可提高25%；Chaipanich等（2010）研究了碳纳米管对粉煤灰水泥抗压强度的提高作用，发现在20%粉煤灰水泥中加入1%的碳纳米管可使其抗压强度达到51.8 Mpa。在国内，我国学者在该领域也开展了一些相关的研究工作，但国内从事该领域研究的学者非常少，据我们所知，目前只有哈尔滨工业大学段忠东教授的研究小组和同济大学王培铭教授的研究小组在该领域开展过较系统的研究。 本文将多壁碳纳米管作为功能增强组分，重点研究不同分散工艺对多壁碳纳米管在水性体系中的分散性能的影响，并尝试将两种较优的分散工艺引入传统的水泥混凝土材料基体中，制备碳纳米管增强水泥基复合材料。通过对碳纳米管增强水泥基复合材料的宏观力学性能（抗压强度、抗弯折强度）的测试研究碳纳米管对水泥基材料力学性能的增强作用，不仅得到了较理想的碳纳米管分散工艺，还可为制造出性能优越的碳纳米管增强水泥基复合材料提供了依据。
