【《碳纳米管水泥基复合材料研究现状文献综述》4000字】

碳纳米管水泥基复合材料研究现状文献综述碳纳米管是一种拥有几乎完美力学性能与电学性能的纳米材料，可以将其作为一种增强材料应用于水泥基复合材料中以改善水泥基复合材料的力学、电学以及压敏性能。本小节就碳纳米管水泥基复合材料力学性能、电学性能以及压敏性能的研究现状分别进行介绍。图1.1单壁碳纳米管和多壁碳纳米管的示意图[23]1.1碳纳米管的结构与性质20世纪末，SumioIijima在用电子显微镜观察电子蒸发石墨试验时，偶然发现了一种尺寸为纳米级、两侧有球状的端帽封闭、截面为同心圆环、由石墨片卷曲而成的中空碳晶体，这种材料即是碳纳米管[14]，从此揭开了各个领域对碳纳米管及其复合物研究的序幕。继首次发现之后，碳纳米管就成为了一个研究热点，越来越多的学者们开始对这种新型的纳米材料本身的各种性能进行研究[15~17]。除此之外，国内外许多学者还将碳纳米管材料引入各种基质材料中以探究碳纳米管对基质材料的物理性能如力学以及电学性能的影响[18~20]。碳纳米管（CarbonNanotubes，CNT），是一种新型的中空管状纳米纤维材料，是目前为止整体综合水平最高的材料。按照石墨片层数的不同，碳纳米管可分为单壁碳纳米管（Single-walledCNTs，SWCNT）和多壁碳纳米管（Multi-walledCNTs，MWCNT）[21~22]，其微观结构示意图如图1.1所示[23]。据研究表明，CNT具有质量轻、比表面积大的物理特性、优异的力学性能、高的化学稳定性和热稳定性、低电阻率等特性等特点，在韧性和强度都优于其他纤维材料，力学性能十分优秀，具有很强的抵抗变形的能力，被誉为是“21世纪最有前途的纳米材料”[24~25]，如表1所示。由表1中可见，SWCNT的径向尺寸大约在0.4~3nm之间，长度约为1~50μm，密度大致接近于2.1g/cm3（密度仅为钢材的1/6）；MWCNT的径向尺寸可介于1.4~100nm之间，长度约为0.1~100μm，密度大致接近于2.1g/cm3，可见CNT的长径比非常高；此外，CNT的力学性能优良，是理想的高强度纳米材料，SWCNT和MWCNT的弹性模量分别接近于1TPa（与自然界中天然存在的最坚硬的物质——金刚石的弹性模量相当）和0.21TPa，抗拉强度分别介于50~500GPa与10~63GPa之间（抗拉强度超过普通钢材的100倍）。虽然与石墨、富勒烯具有相似的六边形结构，但得益于碳原子的SP2杂化，CNT材料高模量、高强度的优异力学特性。就导电性而言，SWCNT的电阻率接近于1Ω·m；MWCNT的电阻率介于50~500Ω·m之间。表1.1CNT的基本性能指标[12,18,24,25]CNT直径(nm)长度(μm)密度(g/cm3)弹性模量(TPa)抗拉强度(GPa)电阻率(Ω·m)SWCNT0.4~31~50~2.1~150~500~1MWCNT1.4~1000.1~100~2.1~0.2110~6350~5001.2碳纳米管水泥基复合材料的力学特性目前，针对CNT与水泥基材料复合作用的研究中，很大一部分都集中在对水泥基复合材料的力学性能增强方面，并取得了重要的成果。对碳纳米管水泥基复合材料的力学性能的研究主要分为三个部分，分别是：①CNT对水泥材料水化过程的促进；②微观尺度下CNT的作用；③CNT对水泥基复合材料宏观力学参数的影响。JonathanM.Makar等人[26]将CNT掺入水泥基复合材料中，并采用扫描电子显微镜（SEM）对水泥的水化过程进行监控，分析CNT对水泥水化过程的影响；研究结果表明：无论是独立分散状态还是聚集团聚状态，CNT在水泥的早期水化过程中起着结晶成核的作用，水化产物以CNT为媒介，加快了水化反应，促进了水化产物的缔结，使得水泥基复合材料最终更加致密。随后，罗健林等人[27]、GintautasSkripkiūnas等人[28]以及BhuvaneshwariBalasubramaniam等人[29]也通过研究分析进一步证明了CNT对水泥水化反应的确有促进作用。Li等人[30]采用压汞法对碳纳米管水泥基复合材料进行试验分析，试验结果表明：当水泥基复合材料中CNT的掺量达到2%，复合材料内部的孔隙率降低40%、使其内部的平均孔径降低43%，说明CNT的掺入对增加水泥基的密实度有很好的作用。除了对孔隙率的研究，ArnonChaipanich等人[31]、BabakFakhim等人[32]、刘巧玲等人[33]结合各种无损检测方式（包括扫描电子显微镜、X射线断层扫描技术）观测并分析了碳纳米管水泥基复合材料的微观结构，证明了CNT对水泥基复合材料微观结构的填充改善作用。国内外许多学者针对CNT增强的水泥基复合材料的宏观力学参数进行了试验研究。韩瑜[34]采用表面修饰法（以GA为分散剂）制备了均匀分散的多壁碳纳米管水泥基复合材料，并对制备好的试样进行力学试验以系统深入分析碳纳米管水泥基复合材料的力学性能；试验结果表明，MWCNT对水泥基复合材料发挥微填充作用，由于CNT的桥联及拔出效应对基体中微裂纹扩展产生了抑制作用，从而增强了碳纳米管水泥基复合材料的韧性。然而，当MWCNT的掺量达到某一临界值时，由于多数CNT相互缠绕而产生团聚效应，导致了水泥基复合材料中的原始裂隙发育使得材料损伤，造成水泥基复合材料力学性能的劣化。可见CNT的掺量对水泥基复合材料力学性质有较大的影响。随后，刘爱红等人[35]进一步研究MWCNT的掺量（质量分数）对水泥基复合材料力学性能的影响；试验结果表明当MWCNT的掺量达到0.10%时，多壁碳纳米管水泥基复合材料的抗压强度和抗折强度相较于掺量为0的对照组分别提高了22.00%和25.36%，证明了CNT对水泥基复合材料力学性能的改善效果很好。1.3碳纳米管水泥基复合材料的电学特性水泥基复合材料电学性能的开发是打破传统建筑结构检测技术的桎梏，实现智慧建筑材料的关键。基于CNT材料良好的电学特性，将CNT掺入水泥基复合材料中以开发水泥基材料稳定的导电性能逐渐成为了新型智慧建筑材料研究的热点。为实现新的突破，国内外大量的学者针对碳纳米管水泥基复合材料的电学性能进行了大量的试验理论研究，并取得了大量成果。这将对碳纳米管水泥基复合材料在实际工程上的应用提供有力的理论支撑和借鉴基础。S.Wansom等人[36]对碳纳米管水泥基复合材料的阻抗性能进行了测试；试验结果表明CNT可使得水泥基复合材料的阻抗参数呈现出先减小后增大的演变过程。随后，罗健林等人[37]进一步研究了多壁碳纳米管水泥基复合材料的电阻性能并发现在水泥基复合材料中掺入2%的MWCNT可使其电阻率下降至18.3Ω·m（近乎于导体的电阻率）。此外，他们还研究了水泥基复合材料电阻率与含水量的关系，结果表明水泥基复合材料的电阻率随着含水率的增高而减小。综上，随着MWCNT掺量的增加，水泥基复合材料的电阻率逐渐降低，导电性逐渐增强，进而改善其导电性能。1.4碳纳米管水泥基复合材料的压敏性能压敏性能是指材料的电阻率随着外力发生变化的现象。一般来说，碳纳米管水泥基复合材料整体的电阻率由三个主要影响因素控制：一是水泥基体的导电性能，虽然以硅酸盐为主的水泥基质导电性较低，但作为基体材料，对整体复合材料的导电性存在一定的影响；二是水泥基复合材料孔隙中的水分与空气，材料的导电性对环境湿度有较大的敏感性，且在孔隙水中的导电能力远远高于在空气中以及水泥基质中的导电能力；三是CNT形成的导电网络，这在很大程度上改善了水泥基复合材料的导电性。许多学者对碳纳米管水泥基复合材料的压敏性能给予了很多的关注，希望将其应用在对建筑结构的健康监测上，以实现结构稳定与安全的实时动态评估。李庚英等人[38~39]采用四电极法测验了在单轴压缩下碳纳米管水泥基净浆电阻率的感知特性；还研究了CNT的表面修饰（羧基化）对碳纳米管水泥净浆导电性能和压敏性能的作用。其试验结果表明，与空白对照组（未经表面修饰的CNT）相比，羧基化的碳纳米管复合水泥净浆具有更低的电阻率和更优良的压敏性能。随后，许多学者针对CNT对水泥基复合材料的压敏性能的影响开展了进一步的试验研究，证明了在循环荷载作用下碳纳米管水泥基复合材料表现出良好的压敏性能[40~42]。在这些试验的基础上，许多学者还利用碳纳米管水泥基复合材料优良的压敏性能对建筑结构裂纹发育以及损伤进行检测。MinjuLim等人[43]评估了碳纳米管水泥基复合材料作为用于混凝土结构裂缝监测传感的可行性，开展试验研究探究水泥基复合材料裂纹宽度与其导电性能的关系，从而基于裂纹的发育提出水泥基复合材料的电导率模型并验证了该模型的有效性。综上所述，CNT的掺入极大改善了水泥基复合材料的力学性能、电学性能以及压敏性能，建筑结构的智能化监测具有现实可行性。因此，本次研究基于表面修饰法（分散剂采用聚乙烯吡咯烷酮PVP）制备分散良好的碳纳米管水泥基复合材料，进行电学性能的检测得到CNT对其导电性能的影响规律；此外，还对碳纳米管水泥基复合材料试样开展循环试验，CNT对水泥基复合材料压敏性能影响进行研究。参考文献ShanJ,ZhouD,ZhangL,etal.Comparisonofcompressivestrengthandelectricalresistivityofcementitiouscompositeswithdifferentnano-andmicro-fillers[J].ArchivesofCivilandMechanicalEngineering,2018,18(1):60-68.WangD.,ZhengQ.,OuyangJ.,etal.Influencesofcuringperiodonmechanicalpropertiesofreactivepowderconcreteincorporatingnanoparticles[J].MaterialsResearchExpress,2019,6:025023.陆富龙.碳纳米管对水泥基材料的作用机理研究[D].广州大学,2019.HanB,ZhangL,OuJ.Smartandmultifunctionalconcretetowardsustainableinfrastructures[M].Singapore:Springer,2017.HanB.,WangY.,DongS.,etal.Smartconcretesandstructures[J].JournalofIntelligentMaterialSystemsandStructures,2015,26(11):1303-1345.欧进萍,关新春,李惠.应力自感知水泥基复合材料及其传感器的研究进展[J].复合材料学报,2006,23(4):1-8.孙伟.新型结构材料的发展与应用[C]:第一届结构工程新进展国际论坛,北京,2006:82-105.FuX,ChungD.Self-monitoringoffatiguedamageincarbonfiberreinforcedcement[J].CementandConcreteResearch,1996,26(1):15-20.WenY,PingL,HuangS.Readoutofapiezoelectricdistributedsensingnetworkembeddedinconcrete[J].ProceedingsofSPIE-TheInternationalSocietyforOpticalEngineering,1998,3330:67-74.ZuoJ,YaoW,LiuX,etal.SensingPropertiesofCarbonNanotube-CarbonFiber/CementNanocomposites[J].JournalOfTestingandEvaluation,2012,40(5):838-843.李庚英,王培铭.碳纳米管-水泥基复合材料的力学性能和微观结构[J].硅酸盐学报,2005,33(1):105-108.HanB,SunS,D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