多功能碳纳米管水泥基材料的性能与改性机理

发布时间：2020-11-14 00:19

　　 碳纳米管具有优异的力学、电学以及化学稳定性,是发展高性能、多功能/智能水泥基复合材料的一种优异填料。本文主要研究了碳纳米管种类和掺量对水泥基材料力学、电学以及电磁波屏蔽/吸收性能的影响规律,并通过碳纳米管性能、水化产物物相(形貌、组成、结构和含量)、复合材料等效电路和电磁参数分析以及纤维增强水泥基复合材料力学计算探究碳纳米管水泥基材料的改性机理。主要研究内容和结果包括:(1)制备了不同种类(包括不同尺寸、官能团化、石墨化、镀镍、螺旋状以及大内经薄壁碳纳米管)和掺量的碳纳米管水泥基材料,并对其抗压和抗折强度进行测试,同时通过XRD、~(29)Si NMR、TG、SEM测试以及纤维理论计算分析了碳纳米管对水泥基材料力学性能改性机理。实验结果表明,管径大的碳纳米管对水泥基材料力学性能的改善效果非常显著,管长度较长的碳纳米管有利于改善水泥基材料的抗折强度;官能团化、镀镍以及螺旋状碳纳米管对水泥基材料强度改善效果更加显著,其中0.5%的镀镍碳纳米管水泥基材料相对/绝对抗压强度较未掺碳纳米管水泥基材料提高78.8%/74MPa,0.5%的羟基化短碳纳米管水泥基材料抗折强度较未掺碳纳米管水泥基材料增强约76%/6.6MPa。碳纳米管对C-S-H凝胶硅氧四面体的结构没有明显改变,其对水泥基材料的增强机制为其广泛分布形成的桥联、拔出效应,降低氢氧化钙晶面取向性,改善基体微观结构,抑制水泥水化进程同时减少了由水化热引起的原生裂纹。(2)测试了所制备的碳纳米管水泥基材料的交流电阻和交流阻抗谱,研究了碳纳米管水泥基材料导电性能,建立了等效电路。研究结果表明,0.8%掺量的长且管径大的碳纳米管可将水泥基材料电阻率(193Ω·m)降低约56%;碳纳米管官能团化有利于改善复合材料导电性能;石墨化碳纳米管掺量为0.8%时水泥基复合材料的导电性最好,电阻率(71Ω·m)较未掺碳纳米管水泥基材料降低了63%。不同种类和掺量的碳纳米管水泥基材料交流阻抗谱均呈准Randles型,等效电路为Rs(Q_1(R_1W_1))(Q_2(R_2W_2))(Q_3R_3)。(3)采用间接法测试了所制备的碳纳米管水泥基材料的电磁参数,应用理论公式计算了复合材料电磁波屏蔽效能和吸波反射率。研究表明,本文所采用掺量下,碳纳米管对水泥基材料电磁波屏蔽性能改善作用不明显,但对电磁波吸收性能改善效果显著。复合材料电磁波吸收性能随碳纳米管掺量增加呈增长趋势;羧基化长碳纳米管水泥基材料电磁波吸收性能最好,反射率最小值(-36dB)是不掺碳纳米管水泥基材料的4.3倍。碳纳米管水泥基材料对电磁波的吸收损耗以介电损耗为主,基本无磁损耗。
【学位单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB383.1;TQ172.1
【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
    1.1 课题的研究背景和意义
    1.2 国内外研究现状及发展
        1.2.1 碳纳米管水泥基材料的分散
        1.2.2 碳纳米管水泥基材料的力学性能
        1.2.3 碳纳米管水泥基材料的电学性能
        1.2.4 碳纳米管水泥基材料的电磁性能
    1.3 本文主要研究内容及技术路线
        1.3.1 研究内容
        1.3.2 技术路线
2 碳纳米管水泥基材料的力学性能
    2.1 引言
    2.2 复合材料制备与测试
        2.2.1 原材料及试件制备
        2.2.2 测试方法
    2.3 碳纳米管尺寸对复合材料力学性能的影响
        2.3.1 抗压强度
        2.3.2 抗折强度
        2.3.3 XRD分析
29SiNMR分析'>        2.3.4 ²⁹SiNMR分析
        2.3.5 TG分析
        2.3.6 SEM分析
    2.4 碳纳米管表面官能团化对复合材料力学性能的影响
        2.4.1 抗压强度
        2.4.2 抗折强度
        2.4.3 XRD分析
29SiNMR分析'>        2.4.4 ²⁹SiNMR分析
        2.4.5 TG分析
        2.4.6 SEM分析
    2.5 特殊结构和表面改性碳纳米管水泥基材料的力学性能
        2.5.1 抗压强度
        2.5.2 抗折强度
        2.5.3 XRD分析
29SiNMR分析'>        2.5.4 ²⁹SiNMR分析
        2.5.5 TG分析
        2.5.6 SEM分析
    2.6 本章小结
3 碳纳米管水泥基材料的电学性能
    3.1 引言
    3.2 复合材料制备与测试
        3.2.1 原材料及试件制备
        3.2.2 测试方法
    3.3 碳纳米管尺寸对复合材料电学性能的影响
        3.3.1 导电性能
        3.3.2 导电机制及导电通路模型
    3.4 碳纳米管表面官能团化对复合材料电学性能的影响
        3.4.1 导电性能
        3.4.2 导电机制和导电通路模型
    3.5 特殊结构和表面改性碳纳米管水泥基材料的电学性能
        3.5.1 导电性能
        3.5.2 导电机制和导电通路模型
    3.6 本章小结
4 碳纳米管水泥基材料的电磁波屏蔽和吸收性能
    4.1 引言
    4.2 复合材料制备与测试
        4.2.1 原材料及试件制备
        4.2.2 测试设备与方法
    4.3 碳纳米管尺寸对复合材料电磁性能的影响
        4.3.1 电磁波屏蔽性能
        4.3.2 电磁波吸收性能
        4.3.3 电磁波屏蔽和吸收性能的机理分析
    4.4 碳纳米管表面官能团化对复合材料电磁性能的影响
        4.4.1 电磁波屏蔽性能
        4.4.2 电磁波吸收性能
        4.4.3 电磁波屏蔽和吸收性能机理分析
    4.5 特殊结构和表面改性碳纳米管水泥基材料的电磁性能
        4.5.1 电磁波屏蔽性能
        4.5.2 电磁波吸收性能
        4.5.3 电磁波屏蔽和吸收机理分析
    4.6 本章小结
结论
参考文献
攻读硕士学位期间发表学术论文情况
参与科研项目
获得奖励
致谢

【参考文献】

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本文编号：2882828