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基本信息

項(xiàng)目名稱：
碳納米管在增強(qiáng)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(jiǎn)介：
本文將多壁碳納米管作為功能增強(qiáng)組分，重點(diǎn)研究不同分散工藝對(duì)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(qiáng)水泥基復(fù)合材料。通過(guò)對(duì)碳納米管增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的宏觀力學(xué)性能的測(cè)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(qiáng)水泥基復(fù)合材料提供了依據(jù)。
詳細(xì)介紹：
通過(guò)對(duì)碳納米管增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的宏觀力學(xué)性能（抗壓強(qiáng)度、抗彎折強(qiáng)度）的測(cè)試研究碳納米管對(duì)水泥基材料力學(xué)性能的增強(qiáng)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(qiáng)水泥基復(fù)合材料提供了依據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：聚乙烯吡咯烷酮(PVP)宜作為碳納管增強(qiáng)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(qiáng)度和抗壓強(qiáng)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(gè)最優(yōu)值（約為0.1wt%），當(dāng)小于此值時(shí)，碳納米管—水泥基復(fù)合材料的撓曲強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、韌性提高效果顯著；當(dāng)大于此值時(shí)，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(xiàng)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(qiáng)基以克服水泥材料抗拉、抗彎強(qiáng)度低，韌性差的缺點(diǎn)，同時(shí)改善其容易斷裂、經(jīng)常帶微裂縫工作的情況。項(xiàng)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(qiáng)水泥基復(fù)合材料的制備工藝以及碳納米管對(duì)水泥材料力學(xué)性能的改善作用。

科學(xué)性、先進(jìn)性及獨(dú)特之處

碳納米管具有十分優(yōu)異的力學(xué)性能，無(wú)論是強(qiáng)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(qiáng)體，可表現(xiàn)出良好的強(qiáng)度、彈性、抗疲勞性及各項(xiàng)同性。 本項(xiàng)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(duì)制備的標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試。

應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)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(qiáng)度有很大提高，可以滿足某些特殊場(chǎng)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(duì)材料高性能的要求，而且可起到較好的增韌效果，在未來(lái)的應(yīng)用中可克服水泥材料容易脆斷等缺點(diǎn)。

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(qiáng)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(duì)制備的標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行了抗彎折及抗壓強(qiáng)度測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：聚乙烯吡咯烷酮(PVP)宜作為碳納管增強(qiáng)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(qiáng)度和抗壓強(qiáng)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(gè)最優(yōu)值（約為0.1wt%），當(dāng)小于此值時(shí)，碳納米管—水泥基復(fù)合材料的撓曲強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、韌性提高效果顯著；當(dāng)大于此值時(shí)，其提高效果減弱。

獲獎(jiǎng)情況

無(wú)

鑒定結(jié)果

無(wú)

參考文獻(xiàn)

無(wú)

同類課題研究水平概述

目前, 碳納米管在增強(qiáng)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(bào)道卻很少。直到最近幾年，國(guó)、內(nèi)外學(xué)者才開始嘗試制備碳納米管增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料，并研究碳納米管對(duì)水泥基材料力學(xué)、電學(xué)性能的改善作用。Campillo等（2003）最早報(bào)道了他們關(guān)于碳納米管增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的實(shí)驗(yàn)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(qiáng)度提高6% 和30%；Li等（2005）的研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)H2SO4、HNO3表面處理的多壁碳納米管可使硅酸鹽水泥的抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)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(shí)驗(yàn)研究了單壁、多璧碳納米管對(duì)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(guò)實(shí)驗(yàn)從不同角度驗(yàn)證了碳納米管對(duì)丙烯酸樹酯骨水泥的力學(xué)性能具有明顯改善作用；我國(guó)學(xué)者羅健林和段忠東（2008）的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)多璧碳納米管的摻量為0.1% 時(shí)水泥基復(fù)合材料的力學(xué)性能最好，抗折強(qiáng)度提高了17%, 抗壓強(qiáng)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(qiáng)度可提高25%；Chaipanich等（2010）研究了碳納米管對(duì)粉煤灰水泥抗壓強(qiáng)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(qiáng)度達(dá)到51.8 Mpa。在國(guó)內(nèi)，我國(guó)學(xué)者在該領(lǐng)域也開展了一些相關(guān)的研究工作，但國(guó)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(jì)大學(xué)王培銘教授的研究小組在該領(lǐng)域開展過(guò)較系統(tǒng)的研究。 本文將多壁碳納米管作為功能增強(qiáng)組分，重點(diǎn)研究不同分散工藝對(duì)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(qiáng)水泥基復(fù)合材料。通過(guò)對(duì)碳納米管增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的宏觀力學(xué)性能（抗壓強(qiáng)度、抗彎折強(qiáng)度）的測(cè)試研究碳納米管對(duì)水泥基材料力學(xué)性能的增強(qiáng)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(qiáng)水泥基復(fù)合材料提供了依據(jù)。
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