（材料学专业论文）碳纤维水泥基复合材料及其电热性能的研究.pdf

碳纤维水泥基复合材料及其电热性能的研究摘要本文在制备了素水泥的基础上，利用电压循环加载的方法，拟合了复合材料在无电场影响下的电阻率，分析了灰砂比、电压加载次数及加入碳 1纤维对电阻率的影响，比较了电压加载和卸载时电阻率的不同。结果表明，灰砂比为1 5 ：1 时电阻率相对较小；素水泥的电阻率随电压加载次数的增加而增加，直至内部水化达到平衡而保持不变；在电压加卸载的同一次循环中，卸载时的电阻率高于加载时的电阻率；加入碳纤维后，碳纤维使电场对水泥电阻率的影响变弱。本文还通过对所制备的碳纤维水泥基复合材料的测试，分析了纤维长度、含量及养护龄期对电阻率的影响。实验结果表明，复合材料的电阻率随纤维含量的升高而降低，在0 5 v 0 1 左右时出现突变。掺加的碳纤维长度增加，电阻率突变的幅度变小，随着养护时间的延长，复合材料的含水量降低，电阻率升高。本文还对素水泥和碳纤维水泥基复合材料的温敏特性进行了研究。分析了素水泥、纤维长度、纤维含量对材料温敏性的影响。实验结果表明，随着温度的升高，素水泥的电阻率降低，呈现n t c 效应，含量相同的情况下，低温时复合材料出现n t c 效应，高温时碳纤维长度的增加，减弱了温度对复合材料电阻率的影响；碳纤维含量低时，复合材料表现为n t c效应，含量高时，先出现n t c 效应，再出现f t c 效应。”本文还应用有限元方法模拟了温度场中复合材料的温度分布情况，结果说明，传热从材料的中间开始。中间的传热速率高，在过渡区域的横断面上- 材料的表面温度与内部温度的温度差在2 0 左右。关键词；碳纤维，水泥基复合材料，电阻率，温敏特性一一t h ec a r b o nn b e r sr e l n f o r c e dc e m e n ta n di t sr e s e a r c ho ne l e c t r i c - t h e r 【a lp r o p e 肌e s，jt-a b s 弧a c tt h ep l a i nc e m e n tw a sp r e p a r e d e l e c t r i cr e s i s t i v i t yw a st e s t e du n d e rc y c l i cv o l t a g el o a d i n ga n du n l o a d i n gt om e a s u r et h ei n f l u e n c e o ft h ee l e c t r i cf i e l do nt h ee l e c t r i cr e s i s t i v i t y t h ee f f e c to fc sr a t i o ，v o l t a g ec y c l i cn u m b e ra n dc a r b o nf i b e r so nt h ee l e c t r i cr e s i s t i v i t yw e r ep r e s e n t e d t h ee l e c t r i cr e s i s t i v i t yi nl o a d i n ga n du n l o a d i n gw a sc o m p a r e d t e s t sr e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h ee l e c t r i cr e s i s t i v i t yi ss m a l l e rw h e nc si s1 5 ：1t h a ni tw h e nc si s1 ：1 5o r1 ：1 i i l ee l e c t r i cr e s i s t i v i t yo fp l a i nc e m e n tw a si n c r e a s e dw i t ht h ec y c l i cn u m b e ru n t i lt h ei n n e rh y d r a t i n gp r o c e s sa c h i e v e db a l a n c e t h er e s i s t i v i t yo fu n l o a d i n gw a sg r e a t e rt h a ni to fl o a d i n ga tt h es a m ec y c l e w h e na d d i n gi n t ot h ec e m e n tb a s e ，c a r b o nf i b e r sb e c a m et h em a i nc o n d u c t i v ew a y , a n dt h ei n f l u e n c eo fe l e c t r i cf i e l do nt h ee l e c t r i cr e s i s t i v i t yw a sd e c r e a s e d t h ec h a n g ea m p l i t u d eo ft h ec u r v ei ss m a l l e rt h a nt h ep l a i nc e m e n t t h ec a r b o nf i b e r sr e i n f o r c e dc e m e n t ( c f r c ) w a sp r e p a r e d t h ee f f e c to fc a r b o nf i b e rl e n g t h ，c o n t e n t sa n dc u r i n gt i m eo nt h ee l e c t r i cr e s i s t i v i t yw a sp r e s e n t e d t e s t sr e s u l t ss h o w e dt h ee l e c t r i cr e s i s t i v i t yw a sd e c r e a s e dw i t ht h ec a r b o nf i b e r sc o n t e n t ，t h ee l e c t r i cr e s i s t i v i t ys h o w e dt h ej u m pa tt h e0 5 v 0 1 o fc a r b o nf i b e r t h el o n g e rt h ec a r b o nf i b e ri s ，t h es m a l l e rt h ea m p l i t u d eo f j u m pi s t h ee l e c t r i cr e s i s t i v i t yi si n c r e a s ew i t hw a t c rc o n t e n t s t h ee f f e c to ft e m p e r a t u r eo nt h ee l e c t r i cr e s i s t i v i t yo fp l a i nc e m e n ta n dc a r b o nf i b e r sr e i n f o r c e dc e m e n t ( c f r c ) h a sb e e ni n v e s t i g a t e d e l e c t r i cr e s i s t i v i t yw a st e s t e du n d e rd i f f e r e n tt e m p e r a t u r et om e a s u r et h ee f f e c to ft e m p e r a t u r eo nt h ee l e c t r i cr e s i s t i v i t yo fp l a i nc e m e n ta n dc f r c t e s tr e s u l t si n d i c a t et h a tt h ep l a i nc e m e n ts h o w st h en e g a t i v et e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n t ( - r r 6 9e f f e c ta n di t se l e c t r i cr e s i s t i v i t yi sd e c r e a s e dw i t ht h et e m p e r a t u r e a tl o wt e m p e r a t u r e ，t h ec o m p o s i t e ss h o wt h en t ce f f e c t ，a n da tt h eh i g ht e m p e r a t u r e ，t h el e n g t ho fc a r b o nf i b e r sd e c r e a s e st h ee f f e c to ft e m p e r a t u r eo nt h ee l e c t r i cr e s i s t i v i t y a tl o wc o n t e n t ，t h ec o m p o s i t es h o wt h en t ce f f e c t ，a n da th i g hc o n t e n t ，t h ec o m p o s i t es h o wt h en t ce f f e c ta n ds u b s e q u e n t l ys h o wt h ep t ce f f e c t k e yw o r d s ：c a r b o nf i b e r c e m e n t b a s e dc o m p o s i t e ，e l e c t r i cr e s i s t i v i t y ,t e m p e r a t u r es e n s i b i l i t yp r o p e r t i e s1 1 研究背景及意义第一章文献综述水泥是重要的建筑材料，它的发展有着极为悠久的历史广义的水泥材料包括采用各种有机、无机、天然、人造的胶凝材料与粒状或纤维状填充物相混合而形成的固体材料古代人们建造古埃及金字塔和其他宏伟建筑所用的石膏和石灰砂浆都可以看作是广义上的水泥。随着生产的发展和人类文明的进步，人们发现在石灰中掺入火山灰，不仅提高了强度，而且能抵抗水的侵蚀。1 7 9 6 年罗马水泥问世，人们开始认识到，用天然水泥岩( 粘土含量为2 0 - 2 5 的石灰石) 煅烧、磨细可制得天然水泥但是由于这种天然水泥岩不是随处可见，人们开始人工配制水泥，即用石灰石与定量的粘土共同磨细混匀经过煅烧，再磨细便可制得。因为这种胶凝材料凝结后的外观颜色与英国波特兰生产的石灰石相似，故称之为波特兰水泥( p o r t l a n dc e m e n t ，我国称为硅酸盐水泥) 直到英国泥瓦工约瑟夫阿斯普丁( j o s e p h a s p d i n ) 在1 8 2 4 年，俄国人q e p h e b 在1 8 2 5 年分别研究了波兰特水泥( 硅酸盐水泥) 的配比后，以它作为胶凝材料的狭义的水泥材料才开始问世，随后于1 8 5 0 年和1 9 2 8 年分别出现了钢筋水泥和预应力钢筋水泥材料，水泥才得到了更广泛的应用【l j 现在，无论在城市还是在乡村，到处都建起了混凝土结构，它已是世界上用量最大，使用最广泛的建筑材料。1随着建筑业的飞速发展，提高工程结构混凝土的强度成为建筑工程界普遍重视的课题。在工程中采用高强混凝土可以减少结构断面尺寸、减轻自重、降低材料用量，有效地利用高强钢筋、加快施工速度及满足特种工程的要求。从本世纪3 0 年代以来，随着水泥品种的改善以及化学外加剂( 主要是高效减水剂、引气剂等) 的使用，工程中应用的混凝土强度等级不断提高。我国用高效减水剂配制高强混凝土的研究是从1 9 7 0 年左右开始的。在7 0 年代初，清华大学土木工程系首先研制出n f 高效减水剂，并投入生产高效减水剂的发展，为推动应用高强混凝土创造了条件，并使高强混凝土成功地应用于建筑工程中。高强混凝土结构设计与施工指南1 2 l ( h s c c 9 3 1 ) 给出了采用水泥、砂、石原料按常规工艺配制出的强度为5 0 8 0 m p a 的高强混凝土的技术规定。从目前的设计施工技术水平出发，一般认为强度达到或超过4 5 m p a 的混凝土为高强混凝土，强度在3 0 4 0 m p a 的混凝土为中强混凝土，强度在2 5 m p a 以下的混凝土为低强混凝土。纤维混凝土，又称纤维增强混凝土，是以水泥净浆、砂浆或混凝土作基材，以非连续的短纤维或连续的长纤维作增强材料所形成的水泥基复合材料，由于纤维的乱向分布，使混凝土具有延性大的特点。聚丙烯纤维混凝土，是将切成一定长度的聚丙烯膜裂纤维，均匀地分布在水泥砂浆、混凝土基材，用以增强基材的物理力学性能的一种复合材料。这种混凝土具有轻质、高抗拉、抗冲击性和抗裂性能好，同时因纤维可替代部分钢筋而降低混凝土的自重。聚丙烯腈基碳纤维的抗拉强度虽然比混凝土高，但弹性模量却很低，以致在较高的应力情况下，混凝土将达到极限变形但是，在纤维含量较少的情况下，这种复合材料的抗冲击性能就比普通混凝土大许多。这就为载荷不高但要求冲击性、高韧性的构件找到了一条很有发展前途的途径此外，聚丙烯腈基碳纤维不锈蚀，而且耐酸、耐碱性能良好其弱点是对紫外线敏感，长期暴露在阳光下会产生氧化反应但是由于聚丙烯腈基碳纤维为混凝土所包裹而受到保护，故可不考虑。碳纤维在水泥基体中具有极高的稳定性，也不对环境造成不良影响水泥用碳纤维均匀增强后，在承受负荷时表面不再产生肉眼可见的龟裂，其拉伸强度和弯曲强度、弯曲韧性比不增强的提高几倍到1 0 几倍其耐冲击性也得到改善。由它制成的构件尺寸稳定，同时还具有防静电和耐磨耗等性能因而这些技术近年来得到较快发展由于经济原因。目前碳纤维增强水泥尚未大量推广应用，只作为增强材料如永久型框、双层楼板等预制件的生产“1 2 碳纤维水泥的研究现状将一定量的碳纤维加入到水泥净浆、砂浆或混凝土中，可制成具有多种功能的机敏混凝土。可以应用到材料的自诊断、运动车辆的重量自检测、对交通流量与车辆载荷的监控，利用热电功能可进行温度自诊断、温度自适应，对混凝土的裂缝、钢筋锈蚀进行在线监测，利用其导电性还可进行钢筋的阴极保护、在重点地方进行电磁屏蔽等等。1 2 1 碳纤维水泥基复合材料的力一电电一力性能碳纤维作为一种导电材料掺加到不导电的水泥基材料中，能够显著的降低混凝土的电阻率，并且其电阻率和载荷之间也存在着。联系，即在基体上施加载荷，能够使电阻率进一步降低。相应地，适当施加电场，能够使材料产生弯曲变形王秀峰等人0 , 4 佣水热热压技术制备了较普通混凝土材料致密的碳纤维水泥基复合材料，证实了碳纤维水泥基复合材料中存在着一2 一l丫f i g 1 - 1t h es e t u pf o r m e a s u r e m e n to f f r a c t i o n a lc h a n g ei nr e s i s t a n c e篮塑箜誓鸯越蛰盈鎏型丝墅些电导渗流现象，测量示意图如图1 - 1 所示。他们还发现材料的电阻变化率随着碳纤维含量的增加逐渐变大，即灵敏度随着碳纤维的加入量的增加而增加，当碳纤维含量超过临界体积含量时，纤维分散逐渐变得不容易，测量精度也降低。碳纤维的长径比对复合材料的强度提高也存在着这种情况。他们在试样两端被覆导电胶后安装电极，直接测量试样两端的电阻率，如图1 2 所示发现由于长纤维在复合材料中搭接的结点较多，受载后结点的断开不能显著影响材料的电导性能，反而短纤维的灵敏度相对要大。试验分析认为，在载荷作用下，碳纤维受到压应力作用后互相接近使界面电阻降低，导致电阻率随着压力降低，直到破坏瞬间，电阻率达到最小值。循环加载的情况与一次加载类似。1 0 川1 04；1 0 一s1 0 ：1 0 。1 0 - 0t2345图1 - 2 电导率随纤维掺量和纤维长度的变化hf i g 1 - 2e l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t yv sf i b e rv o l n m e如c 6 0 n f i b e rl e n g t h m、八：厂八八i2，时间恤她图1 - 3 水泥净浆的力电性能mf i g 1 - 3 t h e m e c h a n o - - e l e c t r i c p r o l , e r t y o f c e m e n tp a s t e m孙明清等人【5 - 8 l 研究了水泥净浆的力电效应。他们在试样的上下两面上放置电极。发现试样在连续加载阶段，电流随载荷增加而增加，缓慢卸载时，电流下降较快。然而在恒定载荷的持续阶段，电流并不保持恒定，而是呈逐渐下降趋势。当试样被重复加载时，电流和载荷之间里正相关变化，但是每次经历加载卸载一个阶段时，电流能够达到的峰值变小，如图1 3 所示。水泥砂浆在载荷的突然加载和突然卸载时均出现一个脉冲电流，同样在载荷的保持阶段电流呈现下降的趋势。这种现象他们用电化学理论中的s t e r n 偶电层模型来解释。他们还将试样干燥再令其吸水，发现试样产生的电流随吸水时间增加而增加他们还在混凝土梁正中间预埋碳纤维增强水泥基复合材料( c a r b o nf i b e r sr e i n f o r c e dc e m e n t ，c f r c ) 试块，一如图l - 4 所示，对加载后的试块所承受的压力和产生的电流之间的关系进行了研究1 9 1 。发现由于试块的四周受到混凝土的约束，在载荷的作用下，变形缓慢，产生的电流衰减也较慢。另外他们测定了电极与试块不同位置时的电流随载荷的变化i 埘。两者距离越大，在施加相同载荷时，电流越小。j郑立霞等人【n 钡4 量了碳纤维增强水泥复合材料( c f r c ) 在受压时的电容，他们认为c f r c 试块与其两端的电极构成电容。发现此电容值随压力增加而增加，这是因为对- 3 -0j0o正罩毒捌坦f宝x捌睡囊。试块电容起主要作用的相对介电常数是随压力增加而增加的。简华丽等人【1 2 1 研究了碳纤维水泥基复合材料中纤维含量对试块电阻变化率的影响拶l- - 3 一 一_ j 一图1 - 4 预埋有碳纤维水泥基复合材料的混凝土梁的电阻测量示意图f i g 1 - 4 t h es e t u p f o r m e a s u r e m e n t o f c o n c r e t eb e a mc o n t a i n i n gc f r c，他们制作了含有粗骨料的正方形碳纤维增强水泥复合材料试块，在一组平行侧面上放置不锈钢电极，测试了试件在循环应力作用下的电阻率的相对变化情况。在电阻率随着压力增加而减小的同时，他们还发现当一个加载周期结束载荷卸载至零时，试件的电阻变化量没有回复到零，而是比加载前的初始电阻率有所增加。他们认为这是由于材料的电极化作用l 玎】以及试件内部微裂纹的扩展两个方面造成的碳纤维的加入能够提供更多的导电通道，可以降低电阻率，并且加入碳纤维还可以对裂纹的发展起到阻碍作用，从而间接降低了电阻率。，毛起熠等人重点研究了碳纤维增强水泥复合材料的压敏性能他们制成了口m 阳图1 - 5 不同温度下的电阻率和循环压力之间的关系mf i g 1 - 5f r a c t i o n a lc h a n g eo f r e s i s t a n c ev sc y c l i cp r e s s u r ea td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e t m4 c m x 4 c m 4 c m 的正方形试块，在两相对面接出电极，测定了不同情况下试块的压敏性能，发现纤维体积含量为0 4、长度为5 m m 时电阻变化率最大。即电阻率对压力最敏感【1 4 】对于电阻率随压力增加而降低，他们认为这是由于水泥石内部的隧道效应引起的，即如果石电子之间距离达到一定值能够穿透被水泥基体隔开的碳纤维之间的势垒，那么试块就能够导电他们还研究了水泥的结构对压敏性的影响【1 5 1 ，早期水化与完全水化时的压敏性相差不大。水灰比。的增加会引起水泥石孔隙率增加，电阻率增大。增加多聚物含量，将使凝胶体的变形和一凝胶层问水转移困难，也会使压敏性变差。加入消泡剂和由纤维素、氧化乙烯烷基醚组成的外加剂【h l ，将大大减少水泥石在成型时的气泡，降低孔隙率，从而降低了试块电阻如图1 5 所示，温度对压敏性的影响也很大1 1 6 】，电阻率随温度升高而降低，电阻对压力的敏感性也有所降低。这是因为升温会使电子获得能量，使能够穿透纤维之间势垒的电子增多，致使电阻率下降。一4 -碰毯逛雪鎏剑选丝基瞄监幽陈兵等人【n 1 8 】也对碳纤维增强混凝土材料的导电性能进行了研究，提出了使用交流电进行电阻测量以避免极化作用的方法。他们认为在测量水泥基材料的电阻时，在电极附近会形成一层薄膜，这层薄膜产生了反电势，造成在给定电压下的电流减少。他们认为用交流电虽然不能避免极化的产生，但是可以把体系看成是电阻和电容的串并联形式。当交流电频率增大，电容对体系阻抗的影响逐渐减少，体系的阻抗即实测电阻更接近于试样电阻，使实测数据更真实。他们除了对碳纤维在混凝土中的含量、纤维长度以及混凝土试块的水化时间和相对湿度对电导率的影响进行了研究外，还对水泥基材料在单轴受压、循环载荷受压下的电阻率变化情况进行了研究 1 9 - 2 2 1 ，碳纤维掺量在渗流阈值附近时的扫描电镜照片如图1 - 6 所示在单向轴压作用1 2 2 - 2 5 下，电阻随载荷增大而减小，并且减小速率降低，当载荷达到某一值；时，电阻又开始增加，开始增加缓慢，但随着载荷的加大，电阻急剧上升，此图卜6 周兽茅耋臻竺翌望断面电镜照。时的试件开始断裂在低载荷循环加载05 5片m ( 碳纤维体积含量为幻”“。“”“”f i g 1 - 6 s e m o f c a r t m n f i b e r i n f o r c e d c e m e n t的第一次循环时，卸载后电阻出现了不c o m p o s i t e w i t h t h e c o n t e n t o f 0 5 5 v 0 1 帮4可逆减小，随着循环次数的增加这种不可逆减小的程度减弱，直至完全可逆。但是在大循环载荷作用下，卸载后电阻基本可逆，随着循环次数增加，卸载后电阻出现了增大。对于循环递增载荷 2 2 - 2 5 1 ，当循环载荷增加到断裂载荷的6 0 时，电阻向反方向变化，开始逐渐增加，预示着材料内部的网络破坏逐渐起主要作用，试件开始向断裂方向发展。他们认为出现这种情况的原因是在外力作用下，材料内部存在着两种作用相反的过程，即网络形成和网络破坏在外力作用下，试件内部的纤维必然相互靠近或者形成搭接而使电阻降低，同时外力也使试件内部产生裂纹，增加纤维之间的势垒，使已存在的网络破坏，增加试件的电阻。在加载初期，以网络形成为主，电阻率降低，但其影响逐渐减弱。随着载荷增加，网络破坏作用又逐渐占据主导地位，从而使试件电阻增加，直至试件破坏。他们还研究了三点弯曲载荷作用下的电阻变化规律1 1 7 刎发现在试件的弹性变形阶段，电阻相对变化与挠度之间成大致的线性增大规律。在随后的非弹性阶段，电阻相对变化随挠度迅速增大，对应着试件内部微裂纹增加或微裂纹扩展成宏观裂纹。当裂纹快速扩展，载荷挠度曲线下降，试件断裂，电阻增加到某一值d d lc h u n g 等人对碳纤维水泥基材料的性能作了很深入的研究。他们首先将碳的fli墼璧壁签翟誊篁篮落。：i细丝( c a r b o nf i l a m e n t ) 与碳纤维( c a r b o nf i b e r ) 对水泥基材料的电力特性进行了比较【捌。4发现碳纤维在电一力行为方面的敏感性优于碳细丝，但是在电磁屏蔽方面，碳细丝又表现出了更好的性能。- 他们将含有碳纤维的灰浆和不含碳纤维的灰浆电阻和压力之间的关系进行了更详细的对比研究i 州发现在单轴压力作用下，电阻随着压力的增加而增加，而且当试块在受到循环压力作用时，在第一次循环的加载过程中，也观察到了电阻的不可逆增加在以后的加载中，电阻是降低的；在每次循环的卸载过程中电阻是增大的。和加入碳纤维相比，不加碳纤维的灰浆在压力作用下，其电阻随压力的变化不明显。他们还对压力作用下的圆片状试块的电介质常数及块状试样进行了电阻测试1 2 5 - 2 7 1 ，监测其破坏过程，还对碳纤维水泥基复合材料在道路上的应用做了模拟试验阐发现试样的电介质常数和压力呈负相关关系，加载过程中由于离子运动的不可逆性，使电介质常数降低，卸载时常数升高，并且加载幅度越大，电介质常数达到的最大值也增大。但是加入碳纤维后，电介质常数的变化线形不如钢纤维对于轴向压力，他们测试了轴向和非轴向上的电阻变化率随着压力的变化情况。在加载的初期，由于微裂纹的闭合以及电极与试样的接触电阻小，所以轴向电阻降低随着压力增大，裂纹的重新开裂占据主导地位，电阻又增加，在不同方向上加压均表现出了这种规律。在循环递增载荷例下，电阻变化的幅度也增大，在循环递增递减载荷下，电阻的变化也表现了类似的规律，：，x u l if u 等人i 刈对循环载荷作用下的电阻变化也进行了研究他们发现在拉力及压力( 加载应力为断裂应力的7 0 ) 作用下，加载时电阻降低，卸载时电阻升高。在循环加载的初期，卸载电阻呈现下降的趋势在循环加载的后期直至断裂，卸载电阻的峰值逐渐趋于稳定无论是拉应力还是压应力，随着加载应力的增加，能够测试到的最低电阻降低，能够测试到最低电阻的循环次数也增加他们还研究了不同养护时间下载荷对电阻的影响【3 1 l ，在养护的初期( 7 天) ，电阻随压力的增加而升高，在养护一段时间后( 1 4 天) ，电阻随着压力的增加而降低。他们对纤维和基体之间的粘结强度与接触电阻之间的关系进行了测试【3 2 l ，发现接触电阻随着纤维和基体的粘结强度增加而降低。j i n g y a oc a o 等人对循环载荷下的电阻变化情况又做了比较细致的研究 3 3 , 3 4 1 ，他们发、，。现如图1 7 所示。在第一次加载卸载的循环过程中，电阻变化率是一直增大的从第w *二次循环开始，电阻变化率随着加载而减少，随着卸载而增大，并且电阻变化率随着加载速率的增加而降低。s i h a iw e n 等人对非轴向压力下的电阻变化与载荷之间的关系进行了研究【弱。7 i ，发现当电阻测量和载荷施压不是同轴时，电阻仍然和载荷呈现出一一对应的变化关系，即载荷增加电阻降低，载荷减少电阻升高。对于三点弯曲试验，试件应变增大，即载荷增一6 一加，电阻降低；应变减小，电阻升高。pc ，豳kto i l s n lt ，图1 - - 7 电阻变化率和应变v s 压力循环次数嗍：8 ) 1 - 3 次”4 7 - 5 0 次f i g 1 - 7f r a c t i o n a lc h a n g ei nr e s i s t a n c ea n d $ l r a i nb o t hv s c o m p r e s s i v es t r e s sc y c l en u m b e 一珥：| ) c y c l e s l - 3b ) c y c l e s 4 7 - 5 01 2 2 碳纤维混凝土复合材料的电热热电性能，ty u n s h e n gx u 等人对外加剂对水泥基材料的比热和热传导性的影响进行了研究 3 s 4 0 1 ，他们发现向水泥中加入用硅烷处理过的碳纤维和硅粉能够提高试块的比热。陈兵等人【4 1 】研究了碳纤维水泥基复合材料的温阻特性，探讨了碳纤维特性( 掺量、。长径比) 、水泥基体特性和热循环次数对温阻特性的影响。结果表明，在升温初期，碳纤维水泥基复合材料电阻随温度升高而降低，呈现负温度系数( n e g a t i v et e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n t , n t c ) 效应，升高到一定温度后，呈现正温度系数( p o s i t i v et e m p e r a t u r fc o e f f i c i e n t , p 1 ) 效应。碳纤维含量增加，使两种效应发生转变的临界转变温度降低。，对试件进行热循环加热，发现试件的温阻曲线随着热循环次数的增加趋于稳定。唐祖全、候作富等人1 4 2 - 4 4 1 分析了导电混凝土电热除冰雪的最低功率需求，并且实验测试了碳纤维混凝土电热功率和电压的关系，表明碳纤维混凝土通电后产生的热量能够满足冬季路面除冰化雪的需要，即应用碳纤维水泥基复合材料除冰化雪是可行的。他们又从工程实际的角度比较了石墨、钢纤维、碳纤维等导电材料，认为碳纤维具有良好的导电性，耐氧化性等特点，是制备导电材料的理想导电组分，碳纤维水泥基复合材料化冰詈层导电混凝土层绝热层、普通混凝土层图1 - 8 导电混凝土与普通混凝土的放置次序mf i g 1 - 8 t h e o r d e r o f c o n d u c t i v e t t o n c r e l e p l a i nc o n c r e t e t l冰所需的功率与冰的温度成线性关系，在降雪初期就开始通电化雪则所需功率更低。；他们还比较了三种路面结构模型的电热效应【4 5 删：制作整块导电混凝土试块；制作的导电混凝土加在两个普通混凝土之间：导电混凝土下部依次j l懈槲呻蜥蜘嘁哪量z-trt为隔热层、普通混凝土，上面直接和冰层接触，使导电混凝土产生的热量通过与冰层的接触向上传导使冰层融化绝热层阻止了热量向下传导，使产生的热量主要被路面上的冰雪吸收，如图1 8 所示。当输入功率较低时，有隔热层的情况下，所需的化冰时间比无隔热层时短，当输入功率高时，这种差别减少。他们还报道了交流电与直流电测量高碳纤维掺量的试件电阻的区别f 叫，发现交流电测得的电阻明显小于直流电测得的电阻，他们也比较了用交流电和直流电加热试块的升温效果。相同情况下，交流电加热的试块升温速度快，试块温度分布均匀。他们认为这是由于交流电的正弦变化性质，使得在电极处没有时间形成极化层，也就不会产生极化效果交流电的正弦变化也使试件内部形成电流方向不断变化的回路，使试件温度分布均匀。他们根据能量守恒定律建立并求解了碳纤维水泥基复合材料电热升温和降温微分方程【咽，得到了碳纤维混凝土在升温和降温阶段温度随时间的变化曲线，实验测试了碳纤维混凝土电热升温和降温曲线，实测结果与计算值吻合较好黄莉等人【柙】研究了温度循环变化对碳纤维水泥复合材料抗折、抗压强度的影响碳纤维含量相同时，其抗压、抗折强度在温度循环1 5 2 0 次以前呈上升趋势，2 0 次以后略有下降。相同循环次数下，由于试件中的孔隙含量随着碳纤维的增多而增多，其抗压强度随着纤维含量增加而下降但是，由于纤维分散性好，使试样韧性提高，抗折强度随着纤维含量的增加呈上升趋势m s u n 等人刚2 l 使碳纤维混凝土两端产生温度差，测试不同纤维含量，不同温度差，不同加热时间对温差电动势( t h e r m o e l e c t r i cf o r c e , t e f ) 及温差电动势率( t h e r m o e l e c t r i cp o w e r , t e p ) 的影响，发现t e p 和电导率相似，也存在着渗流阈值。i e p 随着碳纤维掺量增加而增加，当碳纤维掺量达到渗流阈值时，t e p 突然下降，当碳纤维掺量继续增大，t e p 基本不变t e f 与试块两端温度差成线性递增关系，随时间延长也逐渐上升。直至温度分布均匀，温差电动势也渐趋平稳。d d lc 五岫一划领导的小组对碳纤维混凝土的热学行为也进行了研究。j i n g y a oc a o 等人酬研究了碳纤维混凝土试块中含水量对电阻和温差电动势率的影响。实验结果表明“试块中水分的蒸发使试块电阻升高，但是对温差电动势率基本上没有影响s i h a iw e n等人 5 5 哪i 报道了碳纤维水泥基材料作为电热调节器时，在加热和冷却的一个周期中，温。度与电动势、电阻之间的关系加热时电阻降低，电动势也降低，冷却时，电阻和电动势增加，但都高于同温度下加热试块时的数值。他们还比较了普通碳纤维和用溴处理过的碳纤维加入到水泥中后的s e t b a c k 效应。实验发现溴处理过的碳纤维表面粗糙度增加，与外界的接触面积增加，s e e b a c k 效应明显。- - 8 - -篷篮盘篮基篁型垄鹫进雀幽1 2 3 碳纤维水泥基复合材料的电磁屏蔽效应电磁屏蔽就是利用某种物质来控制电磁干扰、感应或辐射传播的方法。在众多的电磁屏蔽材料中，由于水泥在现代建筑中的不可替代的作用，使水泥基复合材料在电磁屏蔽方面的应用逐渐成为新的研究课题。d d lc h u n g 等人【5 l 向水泥中添加了钢纤维、碳纤维、碳纤维丝、粉煤灰、胶质石墨、焦炭粉等物质，比较了它们对水泥基复合材料的电磁波吸收和反射能力的影响。他们发现钢纤维由于具有优良的导电性，在降低水泥基体电阻的同时，也能够大幅度提高水泥基体对电磁波的吸收和反射能力，向水泥中添加直径为跏m ，长度为6 m m ，体积含量为o 7 2 的钢纤维，频率为1 5 g h z 时，电磁屏蔽效力达到了7 0 d b ，是同样条件下的水泥基复合材料中最好的但是，钢纤维的硬度较大，在实际工程建设中容易影响施工速度，而应用柔性较好的碳纤维或碳纤维丝等碳质材料就可以避免这个问题在上面所提及的这些碳质材料中，在屏蔽电磁波方面各有优缺点。d d lc h u n g 等人比较了碳纤维丝和碳纤维作为水泥填料对水泥基体的影响【6 1 l ，由于碳纤维丝的直径只有0 1 a m ，表面积比碳纤维大，所以在相同体积分数的情况下，向水泥基体中加入碳纤维丝的电磁屏蔽效果比加入碳纤维的水泥基体好。例如当频率为1 5 g h z 时，碳纤维丝体积含量为0 5 4 时，水泥基体的电磁屏蔽效力为2 6 d b ，而当碳纤维的体积含量为o 8 4 时，水泥基体的电磁屏蔽效力仅为1 5 d b 。然而，碳纤维丝在提高水泥基体强度方面却不如碳纤维他们还报道了焦炭粉【6 2 】对水泥基体的影响，发现基体的电磁屏蔽效力的提高幅度比加入碳纤维丝高，这可能是因为焦炭粉在水泥基体中的高分散性引起的：胶状石墨旧】对水泥基体屏蔽电磁波的影响比碳纤维丝的要弱一些，但是在相同体积含量的情况下，比直径为1 5 z m 的碳纤维的影响大，这可能是因为胶状石墨的粒度( 0 7 - 0 跏m )大于碳纤维丝的直径( o m m ) ，而小于碳纤维的直径。粉煤灰i 删对水泥基体屏蔽电磁的能力提高不大，粉煤灰与水泥的重量比为8 5 1 5 时，电磁屏蔽效力仅仅从4d b 提高到了7 2 d b ( 1 o o r u ) 。1 3 复合材料的电学性能及热学性能原理1 3 1 复合材料的导电原理【6 5 l漏电当复合材料的基体和填料的电导率都属于绝缘材料的范畴或虽然填料的电导率较大，但因浓度较小而相互间距离较大时，其导电形式主要是基体材料内部和表面的气孔、水分、带电离子等杂质产生的“漏电流”其电导率的复合效应遵循一般串并联混合电路fl：盥蟹丛茎鎏主遨：中总电阻率与分电阻率之阃的关系和规律隧道效应把非常薄的绝缘体夹在导体中间，在电场作用下，电子能越过非导体构成的势垒而移动的现象，称为隧道导电。水泥基复合材料的基体是绝缘材料，当其中的填料( 粒子，粉末或纤维) 是导电材料，具有一定含量并均匀分散于基体中时，复合材料的导电就属于这种情形。这类复合材料的导电能力主要决定于电子越过导电粒子问基体层构成的势垒的能力。这一势垒一方面与粒子间基体层厚度有关，另一方面还与这种基体的性质有关如果以d l 表示导电粒子的电导率，则复合材料由于隧道导电而具备的电导率口0 2 可以用下式表示，0 c 3 。o qc x 畸最( 1 _ 1 1式中t 韫度t 0 、t i 与导电粒子间基体材料厚度和性质有关的常数从上式可知该类复合材料的电导率与温度关系密切，并且随着温度的升高而增大如果凰( t o ( 其物理意义是构成势垒的基体材料较易被电子击穿) ，则由下式成立，a i c 2 - d l c x k - , )，( 1 - 2 )式中d 一粒子间基体材料厚度 ，与基体材料性质有关的常数显然，复合材料中导电粒子增加而使粒子间基体层减薄时，其电导率以指数的形式增加而如果t 以b ( 其物理意义是构成势垒的绝缘材料较难被电子击穿1 ，则有： - 以e x p 卜e x t ) k 3 )式中b 电子穿越势垒的活化能、k 一常数”此时，复合材料的电导率随温度的升高而增大粒子导电当复合材料中的导电粒子含量增加到一定的程度，部分粒子问产生相互接触而形成导电粒子链，这时产生的导电行为称为粒子导电。在这种导电机制下，影响或控制复合材料电导率的因素除导电粒子本身的电导率外，还有导电粒子间的接触电阻和接触程度，后者由导电粒子的含量和分散程度而定。假设基体材料中分散有电导率为盯。、粒径为d 的导电粒子，则由此构成的复合材料电导率口岛为：竿喏- 她一争，(1-4巡篮醒垡翊翟蛰型丝避式中v r 导电粒子体积分数l 一表征粒子分散程度的特征长度l - m 导电粒子间接触面半径从上式可看出，导电粒子的电导率、体积分数以及接触面积的增大都使复合材料的电导率增大；而导电粒子的直径越大，复合材料的电导率越小，1 3 2 二维正交排列纤维增强复合材料的热传导系数f假设纤维是二维正交排列，且x 方向纤维体积分数为a 2 ，y 方向纤维体积分数为b 2 ，图1 - 9 二雏正交排列纤维增强复合材料单元模型”f i g 1 - 9t h em o d e lo f t w o - d i m e n s i o n a lo r t h o g o n a l 珂mr e i n f o r c e dc o m p o s i t e s 目如图1 - 9 所示，则其x 方向和y 方向的导热系剡6 习分别为；a h - 6 x x 【6 x 丸+ ( 1 6 ) 】+ 口2x x , + ( 1 - b 一口2 ) 九( 1 - 5 )km a x x , x x 扣九+ ( 1 一口) t 1 + 6 2x x , + ( 1 - a - b 2 玩( 1 - 6 )丸+ l a x b ( a + t b ) + a , + 0 - 丸a - 】+ b ) a , m + b x ( 1 - a 九) ) b a x o - b ) a o - a ) o - a x o - b ) x，一+ ( 1 - 6 ) 九】c 1 7 )+t +丸】+九)、如果复合材料中的连续增强纤维是一维定向排列的，则计算变得比较容易。在方程式( 1 - 5 ) 一( 1 - 7 ) 中取b 值为零，可得：a 。a 2 t + 0 一a 2 ) 九- 九一口4 九 a 九+ ( 1 一口) t 】+ 0 一n ) 九式中：( 1 8 )( 1 - 9 )盥堑些达塑型耋篮丝4 。2( 1 - 1 0 )1 4 本论文研究的主要内容本文在前人的实验研究基础上，探讨了影响碳纤维水泥基复合材料电学性能的主要因素，包括温度，纤维长度、纤维含量及养护龄期等。在此基础上初步探讨了碳纤维水泥基复合材料的导电机理及模型。、本文第二章在介绍了热力学问题的基本理论的基础上，用有限元法模拟了碳纤维水泥基复合材料在温度差作用下的材料内部的温度分布情况，并分析了电极放置位置对温差电动势的影响，为以后的实验研究提供了物理参数和指导方案。本文第三章介绍了导电相、水泥、集料的选择方法，并且对于素水泥及碳纤维水泥基材料的电阻率测量遇到的问题，如极化效应，接触电阻、交直流电对电阻测试的影响，还介绍了预测碳纤维水泥基材料电阻率的模型一本文第四章在实验的基础上，对实验数据进行了拟合分析，得到了无电场影响下的电阻率，并且分析了电压加载的循环次数、加卸载、灰砂比及加入碳纤维对素水泥的电阻率的影响。研究了碳纤维水泥基材料的纤维长度、纤维含量及养护龄期对电阻率的影响。探讨了碳纤维水泥基复合材料的温敏特性。本文第五章给出了碳纤维水泥基复合材料的导电电路模型，给出了碳纤维水泥基材料的电阻率的范围，并且分析了各种因素对电阻率的影响第二章碳纤维水泥基复合材料电热有限元分析2 1 热传导问题的基本理论2 1 1 热力学第一定律和能量方程式热力学理论告诉我们，能量关系既有能量方面，也有质量方面，前者遵循热力学第一定律，后者服从于热力学第二定律，本文中主要涉及到的是能量关系的数量方面，因此主要涉及到的是热力学第一定律。在任何过程中能量不会自生自灭，只能从一种形式转化为另一种形式，在转化过程中能量的总值不变，这就是能量守恒定律，又称为能量守恒与转化定律。热力学第一定律是自然界的一条普遍规律，它所确定的能量平衡关系式为：流体的储存能包括内能和动能两部分将能量守恒定律应用于热力学中即称为热力学第一定律，即l s s t a l ：设想系统由始态( 内能为u 1 ) 变为终态( 内能为u 2 ) ，若在此过程中，系统从环境吸热q ，对环境做功w ，则封闭系统内能的变化是a u - - - u 2 - u 1 = q w ，这就是热力学第一定律的数学表达式。它表示封闭系统中系统内能的增量等于系统所吸的热减去系统对环境所做的功。对于本文中的问题而言，碳纤维水泥基材料的性能参数是有一定范围的。要计算素水泥及碳纤维水泥材料内部的温度分布问题，实际上可以看作是一个具有内热源的非稳态热传导计算问题。而本问题中比较复杂的是该问题的边界条件。2 1 2 基本边界条件边界条件规定了传热过程中进行的特定环境，反映外因控制作用。在数学处理上，作为定解问题的边界条件常分为三类，分别称为第一类、第二类及第三类边界条件。第一类边界条件它给出边界上的函数值，即规定了边界上的温度拓f 1 ( t ) ，最简单的典型例子是规定边界温度保持为常数。第二类边界条件它给出边界上的导数值，即规定了边界上温度的法向导数：j t i刊- ，2 ( f )( 2 1 )这类边界条件实际上规定了边界上的热流密度，最简单的典型例子是规定边界条件上的热流密度保持定值，即常数。第三类边界条件它给出边界上函数与导数的线性组合，即规定了边界上温度及其法向导数的线性组合，最简单的典型例子是c 1 和c 2 均为已知的常数。c + c 2 剖- l ( oc l o + c ：刮，( 2 2 )如果就边界与环境之间发生的实际传热情形进行分析，边界的热状况可以分为：与环境进行对流换热，与环境进行辐射换热，与环境进行热传导，即热传递的三种基本方式都是有可能发生在物体的边界上在本问题中，实际上这三种情况都存在混凝土表面要和空气进行对流和辐射换热，同时导电混凝