碳纤维水泥基复合材料研究中存在的若干问题探讨.pdf

电工材料 2007 No 228 碳纤维水泥基复合材料研究中存在的 若干问题探讨 侯作富 1 李卓球2 王建军2 1 长江大学机械工程学院 荆州434023 2 武汉理工大学理学院 武汉430070 摘要 碳纤维水泥基复合材料的研究方兴未艾 本文结合近年来对碳纤维水泥基复合材料的研究 对电 阻 率 测试方法 渗滤阈值 物理性能 电性能的稳定性等方面进行了探讨 得到了一些相关结论 旨在 为碳纤维水泥基复合材料的后续研究提供一定参考 关键词 碳纤维 水泥基复合材料 电阻率 渗滤阈值 中图分类号 TM201 44文献标志码 A文章编号 1671 8887 2007 02 0028 05 Discussion on Several Problems in the Study of Carbon Fiber Cement based Composites HOU Z uo fu 1 LI Zhuo qiu2 WANG Jian jun2 1 Department of Mechanical Engineering Yangtze University Jingzhou 434023 2 School ofscience Wuhan UniversityofTechnology Wuhan 430070 Abstract The studyof carbon fiber cement based composites is in the ascendant nowadays Consideringthe recent studyof the carbonfibercement based composites the author discussesseveralproblem s includingthemethodstom easure theelectricalresistance resistivity the range ofthepercolation threshold the mechanicalproperties and the stabilityof the electricalproperties Som e results are obtained and these willplayan in struction role in the further studyof carbon fiber cem ent based composites Keywords carbon fiber cem ent based composites electrical resistivity percolation threshold 基金项目 湖北省教育厅 A 类 重点项目 D200512004 中国博 士后科学基金资助项目 2005037668 作者简介 侯作富 1968 男 副教授 博士后 从事力学和智能 混凝土的研究和教学 电子信箱 Zfhou 126 com 收稿日期 2006 10 25 1引言 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水泥基复合材料 可 应用于 非破损的自诊断 1 和运动车辆的导航 2 对交通进行监控和运动车辆进行称重 3 热阻 器 4 利用热电功能进行温度自适应 5 对混 凝土的裂缝 钢筋锈蚀进行在线监测 6 利用其 导电性进行钢筋的阴极保护 7 在特殊地方进行 电磁屏蔽 8 及融雪化冰 9 10 等 有关这方面的研究 方兴未艾 但是在碳纤维水泥基复合材料的研究中 还存在一些问题 本文在总结相关研究成果的基础 上 结合笔者近年来对碳纤维水泥基复合材料的研 究 对材料的电阻 率 测试方法 渗滤阈值 物理性 能及电性能的稳定性等进行了探讨 2电阻 率 测试方法 在制备的碳纤维水泥基复合材料中 如果要应 用其导电性 必须制作电极 不管电极是埋入混凝 土中还是贴在混凝土试样的外侧 在电极上将不可 避免地出现电化学反应 在自然条件下电化学反应 过程非常缓慢 但在外加电场下 在混凝土内部将发 生物理极化现象 它通常发生在电介质材料受电场 作用时 有 4 种基本类型 电子位移极化 离子 位移极化 转向极化 空间电荷极化 前两类极 化不产生能量消耗 转向极化随着能量发生损耗 但 侯作富等 碳纤维水泥基复合材料研究中存在的若干问题探讨 电工材料 2007 No 229 其建立时间较短 约 2 10s 夹层极化的建立与形 成过程长达几分钟甚至几小时 11 由于极化导致的 电场方向与外加电场的方向相反 因此极化导致测 得的电阻率将会随时间的增加而增大 一般情况下 物体的导电性越好 极化效应越 小 12 当碳纤维加到水泥基复合材料中后 虽然材 料的导电性得到增强 但极化效应仍然存在 因此 人们认为直流法不适合于碳纤维水泥基复合材料 的电阻测试 但武汉理工大学毛起火召 13 认为 采用 低电压或低电流也可得到较好的结果 无论采用多 低的电压或电流 极化效应还是存在 且采用过低 的电压或电流 对测试仪表的精度要求就会很高 在目前碳纤维水泥基复合材料的电阻 率 测 试中 常用的测试方法主要分为二电极法和四电极 法 为避免接触电阻对实际电阻的影响 目前公认 的较好方法是四电极法 图 1 是四电极法的测试原理示意图 假设试样 为圆柱形 如果是其他形状 依此类推 在电阻的 测试过程中共有 4 个电极 每个电极都与铜导线相 连 4 个电极缠绕 或者埋 在 4个与试样长度方向 垂直的横截面上 其中外侧 2 个电极用于通过电 流 内侧 2个电极用于电压测试 4 个电极的间距可 根据试样尺寸具体确定 图 1四电极法测试原理示意图 图 2 是四电极法减小接触电阻的示意图 每个 电极与试样的接触处都存在接触电阻 因此共存在 4 个接触电阻 用 Rc来表示 由于电压表的内阻很 大 通过它的电流可以忽略不计 因此电压表上的 数字即为图中 C D 两点的电压 即电压表上 2 个 电极处的接触电阻的影响可以忽略不计 同时无论 电流表的 2个电极处的接触电阻有多大 流过整个 电阻 R 的电流就是电流表上显示的数字 这样用 R V I 求出的电阻就是 CD 段的电阻 4 个电极 处的接触电阻对实际电阻的影响可以忽略不计 四 电极法就可以在电阻的测试过程中基本上避免接触 电阻的影响 图 2四电极法减小接触电阻的示意图 从理论上讲 四电极法测试电阻比较准确 实验 证明 用四电极法和二电极法测得的电阻随碳纤维 体积含量的增大 即电阻的减小 其差别减小 但在 实际应用中 四电极法有时不现实 而且会对混凝土 内部造成损伤 不仅会造成其强度下降 而且也会影 响其性能的发挥及应用 此外 如果要制作发热用 碳纤维导电混凝土 用四电极法得到的电阻 率 根 本不能用于发热功率的计算 因此 本研究认为 采 用何种方法来进行电阻 率 的测试 取决于所制作 的水泥基复合材料的用途 比如 如果要制作发热 用碳纤维导电混凝土 只能用二电极法来进行电阻 率 的分析 3渗滤阈值范围 碳纤维水泥基复合材料的渗滤阈值是指当导电 相材料的体积含量达到一定值后 再增加其体积含 量 复合材料的电阻率将不会发生很大的变化 即变 化非常缓慢 湖南大学的彭勃 14 对一般碳纤维水泥基复合材 料中的渗滤阈值作过专门的理论研究 研究发现 水泥基导电复合材料存在一个上阈值和一个下阈 值 掺碳纤维时 渗滤阈值的上阈值为 0 2 体积 分数 下同 下阈值为 6 在Pu Woei Chen 等人 15 做的关于在碳纤维 混凝土中加入甲基纤维素 乳胶 硅灰等的实验图 中 图形的转折点出现在纤维体积分数约为 1 2 处 Xie Ping 16 在碳纤维水泥净浆实验中得出 其 渗滤阈值约为 1 而对于碳纤维水泥砂浆而言 其 渗滤阈值约为 2 在他申请的美国专利中 17 当碳 纤维含量为 1 5 2 时 电阻率将达到渗滤阈 值 侯作富等 碳纤维水泥基复合材料研究中存在的若干问题探讨 电工材料 2007 No 230 在王秀峰等人 18 做的渗滤阈值与碳纤维长度之 间的关系图中 纤维长度从 2 mm 变化到 8 mm 时 渗滤阈值从 1 98 变化到 1 84 即纤维长度越 长 渗滤阈值越低 而在重庆大学唐祖全 19 做的水 泥净浆研究工作中 得到的渗滤阈值约为 0 8 综合上述诸多学者的研究 碳纤维水泥基复合 材料的渗滤阈值基本为 0 8 2 变化范围较 大 本研究经近几年的实验以及对材料性能的改 进 得到的渗滤阈值已经可以达到 0 6 左右 4物理性能 对碳纤维混凝土力学性能的研究始于 20 世纪 70 年代 并得到大量研究成果 1992年 Pu Woei Chen 和 D D L Chung 在实验中加入了 0 2 的碳纤维 结果发现 7天 14天 28天的抗压强度 分别增加了 40 22 17 20 吴寅在 1995年的 实验中 将直径为 15Lm 长为 3 30mm 的短切碳 纤维加入混凝土中 其轴心抗压标准强度也出现了 一定程度的增长 21 但是随着碳纤维掺量的增加 CFRC 的抗压强 度会下降 同时弹性模量也会随着碳纤维掺量增加 而减少 这是因为在搅拌过程中引进了大量的空 气 使 CFRC 内的空气含量增加 22 这也得到了本 研究的验证 当然要解决此问题就需要从碳纤维混 凝土的制作方式上作进一步的改进 在混凝土材料中掺加碳纤维可起到阻裂增韧 作用 能克服钢纤维锈蚀 石棉纤维致癌 玻璃纤维 在高碱环境下强度受损等缺点 23 得到的混凝土具 有高韧性及优良抗冲击性 当掺量为 2 3 时 抗折强度可提高 4 倍 韧性提高 20倍 冻融实验和 加速耐候试验表明 其动态弹性模量和抗折强度都 没有变化 1994 年同济大学进行了一项实验 在一 多层框架建筑的梁和节点处试用了 CFRC 总造价 仅增加 0 55 而房屋的抗震性能大为改善 王秀峰 24 的研究表明 同样体积掺量时 碳纤 维较钢纤维和木纤维具有更好的增强作用 碳纤维 掺入量并非与强度成线性关系 当掺入量较大时 2 抗弯强度和断裂韧性均呈下降趋势 碳纤维 若不能均匀分散将限制其性能的发挥 在混凝土中增加一定量的碳纤维 可以显著提 高混凝土的抗拉强度 降低干缩 改善耐磨性能和 新旧混凝土之间的粘结强度 提高混凝土的耐久性 和抗冻融能力 美国的 D D L Chung 教授等 25 30 研究了 各种外加剂 如硅灰 胶乳液 甲基纤维素 砂 短切 碳纤维 和表面处理剂 如臭氧 重铬酸钾 硅烷偶联 剂等 对水泥浆的热学和热力学性能 比热 导热系 数 热膨胀系数 热稳定性等 的影响 并从外加剂本 身的性能 外加剂对水泥复合材料密度和孔隙的影 响 外加剂 水泥界面特性等方面进行了解释 在 水泥浆中加入胶乳液 水泥重量的 20 30 甲 基纤维素 水泥重量的 0 4 0 8 或硅灰 15 水泥重 将使其热传导系数降低 46 随胶乳液掺 量的增加 水泥浆的热传导系数减小 比热增大 在 水泥浆中加入碳纤维将引入较多的气泡 使导热系 数减小 加入经过硅烷处理的硅灰和碳纤维 将使 水泥净浆的比热上升 12 导热系数降低 40 在 水泥净浆中加入砂子将会降低比热 增大导热系 数 在水泥浆中同时添加硅灰和硅烷 硅灰粒子通 过硅烷分子的共价键耦合形成网络 将显著增大水 泥浆的比热和导热系数 实验表明只需掺入水泥重 量 0 2 的硅烷即可获得满意的效果 从目前情况看 加入一定量的碳纤维将不可避 免地在复合材料中引起气泡 只有通过加入除泡剂 振动密实等人工方法减少气泡 才能使其抗压强度 不至于出现下降 同时如何进一步改进碳纤维的分 散性 也是目前碳纤维水泥基复合材料物理性能研 究中需要进一步研究的问题 5导电性能的稳定性 如果要将碳纤维水泥基复合材料的导电性应用 到实际工程中 导电性能的稳定性是必须考虑的 碳纤维含量高时 复合材料的导电性能稳定 但这时 只适用于融雪化冰 其温敏性 压敏性等都非常差 大量实验表明 在制作碳纤维水泥基复合材料时 高 碳纤维含量试样的导电性能重复性很好 而低碳纤 维含量试样的导电性能重复性很差 大量的文献表 明 即使是同一含量的碳纤维水泥基复合材料 不同 的研究者也会得到不同的结果 这与不同的研究者 采用的设备 制作方法 碳纤维种类 性能等都密切 相关 以至于到目前为止碳纤维水泥基复合材料的 研究还出现很多重复但结果存在一定区别的工作 而且在国内 大多数研究者采用的碳纤维都是 PAN 基 而国外大多数研究者都是采用 Pitch 基 此外 碳纤维含量的说法也不很明确 有的研究者习惯采 用碳纤维重量与水泥重量的比值进行研究 有的研 侯作富等 碳纤维水泥基复合材料研究中存在的若干问题探讨 电工材料 2007 No 231 究者习惯采用碳纤维的体积含量进行研究 致使得 到的结果不好进行比较 又比如 在研究电阻率 或 电导率 随碳纤维体积含量的变化关系时 有的研 究者采用固化 1天后测试得到的数据 31 有的采用 固化 7天后测试得到的数据 32 有的则采用固化 28 天后测试得到的数据 33 这些数据虽然可与自身研 究的结果进行比较 但缺乏相互之间结果的可比 性 此外 由于目前还没有统一公认的标准 使得 该材料很多研究结果的重复性不理想 即使是同一 个研究者 也会出现第一天与第二天 上午与下午 做出的试样存在差别的现象 不同的气候条件也会 导致碳纤维水泥基复合材料本身性能上的差别 如 湿度的大小会影响碳纤维水泥基复合材料的导电 性 进而影响其温敏性 压敏性等诸多性能 如何制 造出受外部因素影响小 在自然条件下性能非常稳 定的碳纤维水泥基复合材料也是将来的研究工作 中需要解决的问题 6结束语 碳纤维水泥基复合材料是具有与传统意义上 的混凝土不同性能的新型材料 而且还有很多性能 有待研究者去开发 由于其存在的一些问题 使得 该材料目前还只停留在理论研究上 不能真正进入 实际应用阶段 仍有很多问题值得研究者进一步深 入研究 参考文献 1 FU Xu li Chung D D L Self Monitoring of Fatigue Damage in carbon Fiber Reinforced Cement J Cement and Concrete Research 1996 26 1 15 20 2 FU Xu li Chung D D L Radio Wave Reflecting Con crete for lateral Guidance in Automatic Highways J Cement and Concrete Research 1998 28 6 795 801 3 SHI Zeng qiang ChungD D L Carbon Fiber Reinforced Concrete for Traffic Monitoringand Weighingin M ot ion J Cement and Concrete Research 1999 29 4 435 439 4 WEN Si hai ChungD D L Carbon Fiber Rein forced Cement as a Thermistor J Cement and Concrete Research 1999 29 6 961 965 5 SUN M LI Z MAO Q et al Study on Thermal Self monitoring of Carbon Fiber Reinforced Concrete J Ce ment and Concrete Research 1999 29 5 769 771 6 郑立霞 宋显辉 李卓球 利用 CFRC 压敏性监测钢筋锈蚀的 模拟实验研究 J 实验力学 2004 19 2 206 210 7 FU Xu li ChungD D L Carbon Fiber Reinforced Mortar as an Electrical Contact Material for Cathodic Protection J Cement 掺杂量为 3 时 薄膜具有最低的电 阻率 7 4 10 3 8 cm 3 尽管 Al 掺杂量对薄膜的禁带宽度有一定影 响 但对透光率无明显影响 不同掺杂比的薄膜在 380 900 nm 波长范围内的平均透光率接近 90 透光性良好 参考文献 1 大西顺雄 铟资源枯竭在即确保稀有资源是日本技术人员的 使命 N 日经 BP 社技术在线 2006 7 4 01 2 内海健太郎 饭草仁志 ZAO Al 添加 ZnO 薄膜N特性 J TOSOH Research Technology Review 2005 49 45 48 3 Guojia Fang Dejie Li Bao Lun Yao Fabrication and Characterization of Transparent Conductive ZnO Al Thin Films Prepared by Direct Current M agnetron Sputtering with Highly Conductive ZnO ZnAl2O4 Ceramic Target J Crystal Growth 2003 247 393 400 4 M inami T Nanto H Takata S HighlyConductive and Transparent Aluminum Doped Zinc Oxide Thin Films Prepared by RF Magnetron Sputtering J Appl Phys 1984 23 280 282 5 Tanaka H Ihara K M iyat T et al Low Resistivity Polycrystalline ZnO Al Thin Films Prepared byPulsed Laser Deposition J Vacuum Science Technology 2004 22 4 1757 1762 6 蒋向东 张怀武 黄祥成 透明导电半导体 ZnO 膜的研究 J 应用光学 20