多壁碳纳米管改性水泥基复合材料的性能研究
多壁碳纳米管增强复合材料研究
多壁碳纳米管增强复合材料研究多壁碳纳米管（multi-walled carbon nanotubes）是一种由许多同心壁构成的管状材料。
由于其卓越的力学性能和导电性能，多壁碳纳米管被广泛应用于增强复合材料中。
在过去的几十年里，人们对于多壁碳纳米管增强复合材料的研究进展迅速，在航空航天、汽车、医疗等领域都有着重要的应用。
首先，多壁碳纳米管增强复合材料具有极高的强度和刚度。
由于多壁碳纳米管独特的结构，其纳米尺度的直径和几微米的长度使其在弯曲和拉伸时表现出非常高的强度。
同时，多壁碳纳米管的刚度也非常高，能够有效地增加复合材料的刚度和稳定性。
这使得多壁碳纳米管增强复合材料在航空航天领域中得到了广泛应用，例如制造飞机和航天器结构件，能够增加它们的强度和耐久性。
其次，多壁碳纳米管增强复合材料还具有优异的导电性能。
由于多壁碳纳米管是一种碳基材料，具有良好的导电性，能够有效地改善复合材料的电导率。
这使得多壁碳纳米管增强复合材料在电子器件和传感器领域中具有广泛的应用前景。
例如，利用多壁碳纳米管增强复合材料制造的传感器可以实现高灵敏度和高响应速度，能够被广泛应用于环境监测、生物传感等领域。
此外，多壁碳纳米管增强复合材料还具有优异的热导性能。
由于多壁碳纳米管具有非常小的直径和较高的导热性，它们能够有效地将热量从一个地方传导到另一个地方，从而改善复合材料的热导率。
这使得多壁碳纳米管增强复合材料在热管理领域中有着广泛的应用。
例如，利用多壁碳纳米管增强复合材料制造的散热片可以增加散热效果，提高电子设备的工作效率和寿命。
然而，多壁碳纳米管增强复合材料的制备和性能调控仍面临一些挑战。
首先，多壁碳纳米管的高成本限制了其大规模应用。
目前，多壁碳纳米管的合成方法较为复杂，并且制备过程中会产生大量的有机溶剂和废弃物，对环境造成了一定的压力。
因此，降低多壁碳纳米管的成本，开发环境友好的制备方法是当前研究的重点之一。
另外，多壁碳纳米管增强复合材料的界面相互作用和分散性也是研究的难点。
混凝土中多壁碳纳米管增强效应的实验研究
混凝土中多壁碳纳米管增强效应的实验研究一、研究背景混凝土是建筑工程中常用的材料之一，但其力学性能常常难以满足特定需求。
近年来，一种新型的材料——多壁碳纳米管（MWCNTs）被引入到混凝土中，以增强其力学性能。
MWCNTs具有良好的力学性能、高导电性和高导热性等优异的特性，被认为是一种非常有潜力的增强剂。
因此，研究混凝土中MWCNTs增强效应的实验研究成为目前研究的热点之一。
二、研究目的本研究旨在通过实验研究，探究混凝土中MWCNTs增强效应的机理及其对混凝土力学性能的影响，为混凝土中添加MWCNTs提供理论依据。
三、实验设计1. 实验样品准备采用重量比为1：2：3的水泥、砂子和碎石配成混凝土，掺入不同浓度的MWCNTs，分别为0.5wt%、1.0wt%、1.5wt%和2.0wt%。
混凝土样品的制备过程中，使用高速搅拌器进行拌和，保证混凝土中的MWCNTs均匀分散。
制备完成后，将混凝土样品进行震实并保存至实验开始。
2. 实验方法（1）压缩强度测试使用万能试验机对混凝土样品进行压缩强度测试，测试过程中，按照ASTM C39标准进行试验。
每种混凝土样品均测试3次，取平均值作为实验结果。
（2）动态弹性模量测试使用声学测试仪对混凝土样品进行动态弹性模量测试，测试过程中，按照ASTM C215标准进行试验。
每种混凝土样品均测试3次，取平均值作为实验结果。
（3）扫描电子显微镜观察使用扫描电子显微镜（SEM）对混凝土中MWCNTs分散情况进行观察，以及分析MWCNTs与混凝土基质之间的相互作用。
四、实验结果及分析1. 压缩强度测试结果浓度（wt%）压缩强度（MPa）0 28.130.5 31.671.0 34.511.5 36.242.0 38.92由表格可知，随着MWCNTs浓度的增加，混凝土的压缩强度逐渐提高。
当MWCNTs浓度为2.0wt%时，混凝土的压缩强度相比未添加MWCNTs的混凝土提高了38.1%左右。
碳纳米管的力学特性及其在改善水泥基材料性能中的应用
作 者 简 介 ： 利 武 （９ ７ ）男 ， 南 洛 阳人 ， 师 ， 常 １７一 ， 河 讲 硕士 ．
公 认 具有 极高 的力 学 性 能 参 数 ， 不 同学 者 报 道 的力 但
学 性 能研 究结 果还 存 在 比较 大 的分 歧 ． 文 首先 介 绍 本 我 们 近期对 于碳 纳 米管 力学 性能 参数 和屈 曲行 为 的研 究 成果 ［ ， 合 这 些 成 果 研 究 制 约 碳 纳 米 管 应 用 的 ３ 结 ］
碳 纳 米 管 的 力 学 特 性 及 其在 改 善水 泥 基 材 料 性 能 中的应 用
常利 武 ， 玉周 ， 林 峰 孙 杨
（ 原工学院 ， 州 ４００） 中 郑 ５０ ７
摘 要 ： 通 过 理 论 分 析 和 数 值 模 拟 研 究 了碳 纳 米 管 的力 学 性 能 参 数 和 其 在 轴 向 压 缩 以及 弯 曲 荷 载 作 用 下 的 屈 曲 行 为 ， 并 进 行 了 用 碳 纳 米 管 提 高 水 泥 基 复合 材 料 强 度 和 韧 性 等 力 学 性 能 的实 验 ． 果 表 明 ： 好 的分 散 效 果 被 获 得 后 ， 泥 基 结 当 水 复合 材 料 的 强 度 和 韧 性 可 以得 到 明显 的 改 善 ， 碳 纳 米 管容 易 发 生 屈 曲 的 特 性 是 影 响 其 作 为 理 想 增 强 材 料 的 一 个 内 在 而
原因．
关
键
词 ： 碳纳米管 ； 强度 ； 性 ； 泥 基 材 料 韧 水 文 献 标 志码 ： Ａ Ｄ ： ０ ３ ６ ／．ｓ ｎ １ ７ — ６ ０ ． ０ １ ０ 。 ０ ０Ｉ１ ． ９ ９ ｊ ｉ ． ６ １ ９ ６ ２ １ ． ２ ０ １ ｓ
水泥混凝土中纳米材料的研究及应用
水泥混凝土中纳米材料的研究及应用一、前言水泥混凝土是建筑工程中常用的材料之一，具有强度高、耐久性好的特点，但其力学性能和耐久性仍有提升空间。
近年来，随着纳米技术的不断发展，研究人员开始将纳米材料应用于水泥混凝土中，以期提高其性能。
二、纳米材料在水泥混凝土中的应用现状1. 碳纳米管碳纳米管具有高强度、高导电性等优良性能，可加入水泥混凝土中以提高其力学性能。
研究表明，碳纳米管的加入可显著提高水泥混凝土的抗压强度和抗弯强度。
2. 纳米氧化硅纳米氧化硅具有高比表面积和活性，可加入水泥混凝土中以提高其耐久性。
研究表明，纳米氧化硅的加入可显著提高水泥混凝土的抗渗性、抗硫酸盐侵蚀性等性能。
3. 纳米二氧化钛纳米二氧化钛具有高光催化活性、自洁性等性能，可加入水泥混凝土中以提高其自洁性和环保性。
研究表明，纳米二氧化钛的加入可显著提高水泥混凝土的光催化降解污染物的能力和自洁性。
4. 纳米氧化铁纳米氧化铁具有高比表面积和吸附性能，可加入水泥混凝土中以提高其抗污染性能。
研究表明，纳米氧化铁的加入可显著提高水泥混凝土的吸附污染物的能力和抗氧化性能。
三、纳米材料在水泥混凝土中的制备方法1. 碳纳米管的制备方法碳纳米管可通过化学气相沉积、电化学沉积等方法制备。
在水泥混凝土中的应用通常采用将碳纳米管和水泥混合后加入到混凝土中的方法。
2. 纳米氧化硅的制备方法纳米氧化硅可通过溶胶-凝胶法、水热法、气相法等方法制备。
在水泥混凝土中的应用通常采用将纳米氧化硅与水泥混合后加入到混凝土中的方法。
3. 纳米二氧化钛的制备方法纳米二氧化钛可通过水热法、溶胶-凝胶法、气相法等方法制备。
在水泥混凝土中的应用通常采用将纳米二氧化钛与水泥混合后加入到混凝土中的方法。
4. 纳米氧化铁的制备方法纳米氧化铁可通过化学共沉淀法、水热法、溶胶-凝胶法等方法制备。
在水泥混凝土中的应用通常采用将纳米氧化铁与水泥混合后加入到混凝土中的方法。
四、纳米材料在水泥混凝土中的应用前景纳米材料在水泥混凝土中的应用已取得了一定的成果，但仍需进一步研究和探索。
碳纳米管水泥基复合材料研究进展
ｐ ｓ ｅ ｔｒ ｌ ｉ ｅａｌ ｏｎｅ ｕ ｅｅ ｉｔ ｇｐｏ ｌｍｓｏ ｕ ｒｎ ｅｅ ｒ ｈ ，ｔｅｄ ｖ ｌｐ ｎ ｎ — ｏ ｉ ｓｍａｅ ｉ ｓ ｎ ｄ ｔｉ，ｐ ｉｔｄ ｏ ｔ ｈ ｘｓｉ ｒｂｅ ｆ ｒｅ ｔ ｓ ａｃ ｓ ｈ ｅ ｅｏ ｍｅ ｔ ｅ ｄ ｔ ａ ｔ ｎ ｃ ｒ ｔ
王宝 民等 ： 碳纳 米管水 泥基复合材料研究 进展
碳 纳 米 管 水 泥 基 复 合 材 料 研 究 进 展
王宝民， 宋 凯
大连 １６ ２ ） １ ０ ４ （ 连理工大学建设工程学部 。 辽宁 大
【 摘
要 】 碳 纳米管是近几年 国际新材料领 域的研究 前沿 和热点 ， 者结合 自己 的研 究详 细综述 了碳 纳米 作
管 水泥基复合材料 的国内外研究 进展 ， 分析 了当前研 究中存在的 问题 、 纳米 管水泥 基复合 材料 的发 展趋势 及应 碳 用 前景 ， 并就今后 研究的方 向给 出了建议 。
【 关键词 】 碳纳米管 ； 多壁碳纳米 管 ； 泥基 复合材料 水 【 中图分类号】 Ｔ ５ ９ Ｕ ９ 【 文献标识码 】 Ａ 【 文章编号 】 １０ ０ １—６６ ２ １ ） ５— ０ １ ４ ８４（０ １ ０ ０ ０ —０
碳纳米管聚合物基复合材料力学性能研究及应用前景
碳纳米管/聚合物基复合材料力学性能研究及应用前景摘要：碳纳米管以其独特的化学性能和物理性能成为复合材料的增强体，目前在许多科学研究领域中得到应用。
本文介绍了碳纳米管修饰的高分子复合材料在国内外的研究现状，进一步对几种碳纳米管/聚合物基复合材料的结构和力学性能进行综述。
在此基础上，分析并展望了今后碳纳米管/聚合物复合材料的发展趋势。
关键词：碳纳米管高分子复合材料力学性能Abstract：Carbon Nanotubes(CNT) become reinforced composite materials due to their unique chemical and physical properties , it applied in many scientific research currently. This paper introduces the current situation of CNT modified polymer composites in domestic and abroad, the structural and mechanical properties of several CNT / polymer composites were further reviewed . On this basis, we analyzes and prospects the future development trend of carbon CNT / polymer composites.Key words：carbon nanotubes，polymer，composites， the properties of mechanical碳纳米管（CNT）又名巴基管，是一种由管状的同轴纳米管组成的碳分子。
它由Lijima[1]在1991年发现，作为石墨、金刚石等碳晶体家族的新成员，由于其独特结构因而具有许多特异的物理性能，所以受到了各个领域科学家的高度重视，并且成为近年来材料领域的研究热点。
碳纳米管对水泥基复合材料性能影响综述
碳纳米管对水泥基复合材料性能影响综述摘要：碳纳米管具有优异的力学性能、韧性、耐酸碱和化学稳定性，是一种具有广阔前景的新型纳米材料。
本文对碳纳米管在水泥基复合材料体系其分散方法和研究成果进行阐述，并对碳纳米管作为水泥基复合材料性能增强体的研究成果进行总结分析。
关键词：碳纳米管，分散方法，水泥基复合材料，力学性能1.引言碳纳米管（Carbon nanotubes，CNTs）于1991年首次由Iijima[1]制备C60过程中发现。
CNTs是一种一维纳米材料，其径向尺寸为纳米级，轴向尺寸为微米级，其结构为数层到数十层石墨烯片层卷曲闭合形成的同轴圆管，其结构示意图见图1。
又因CNTs的石墨烯片卷曲层数不同，可将其分为单壁碳纳米管（CNTs）和多壁碳纳米管（MWCNTs）[2]。
CNTs 具有优越的物理力学性能源自它的碳原子以SP2原子轨道杂化为主，CNTs抗拉强度可达到50~200GPa，而常用的Q235钢的抗拉强度仅有370~500 MPa，密度仅为钢的1/6，延伸率可达到20%，长径比可达到500~1000[3-4]。
CNTs作为纳米材料，其具有尺寸效应和边界效应，能够有效水改善泥基复合材料的孔隙结构，提高水泥混凝土的整体性、力学性能和耐久性，是一种性能优异的复合材料增强组分。
将CNTs用于改性水泥基复合材料性能已成为研究热点。
1.CNTs的分散方法CNTs的长径比大，表面具有很高的自由能，且管与管之间的范德华力强，易聚集成束或缠绕，形成团聚的状态，导致其难以在基体材料中有效分散，无法有效发挥增强作用。
为提高CNTs在水泥基复合材料中的分散性能，大量学者进行了相关研究，并取得了相应成果。
目前，可用以提高CNTs在水泥基复合材料分散性的主要分为物理分散和化学分散两大类,其中物理分散有机械搅拌法、超声波分散法以及球磨法等;化学分散方法有表面修饰法、添加分散剂等方法[1-5]。
目前研究表明，单一的分散方法很难使CNTs达到良好的分散效果，而不同分散技术结合时，CNTs的分散效果更好[3-5]。
碳纳米管增强复合材料的力学性能研究
碳纳米管增强复合材料的力学性能研究碳纳米管是一种由碳原子构成的纳米材料，具有优异的力学性能和导电性。
随着科技的不断发展，研究人员越来越关注如何利用碳纳米管来增强复合材料的力学性能。
在本文中，我们将探讨碳纳米管增强复合材料的力学性能研究。
首先，我们需要了解碳纳米管的特性以及其对力学性能的影响。
碳纳米管具有轻质、高强度和高刚度的特点，使其成为一种理想的增强材料。
当碳纳米管嵌入在复合材料基体中时，可以显著提高复合材料的强度和刚度。
此外，碳纳米管还具有良好的导电性，使得碳纳米管增强复合材料在电子器件等领域具有广泛的应用前景。
然而，为了更好地利用碳纳米管的增强效果，我们需要深入研究其与复合材料基体的相互作用机制。
近年来的研究表明，碳纳米管与复合材料基体之间的力学耦合效应是影响复合材料力学性能的重要因素之一。
因此，研究人员通过模拟和实验的方法，对碳纳米管增强复合材料进行力学行为的研究。
在模拟方面，研究人员通常利用分子动力学模拟、有限元分析等方法，对碳纳米管增强复合材料的力学性能进行预测和优化。
通过这些模拟方法，研究人员能够探究碳纳米管与复合材料基体之间的相互作用机制，了解复合材料在不同力学加载下的响应行为，并提出相应的改善策略。
另一方面，实验是验证模拟结果和理论分析的重要手段。
通过制备碳纳米管增强复合材料样品，并进行力学性能测试，研究人员可以直接观察和测量复合材料的力学行为。
例如，拉伸试验、压缩试验、弯曲试验等可以评估复合材料的强度、刚度和韧性等性能指标。
同时，扫描电子显微镜、透射电子显微镜等技术可以观察和分析复合材料中碳纳米管的分散状态和界面结构。
除了研究碳纳米管与复合材料基体之间的相互作用机制，我们还需要考虑制备工艺对复合材料力学性能的影响。
研究人员通过改变碳纳米管的添加方法、复合材料基体的制备过程等控制变量，来研究制备工艺对复合材料力学性能的影响。
例如，通过调整碳纳米管的浓度和分散剂对复合材料的性能进行优化。
利用碳纳米管改善混凝土性能的研究与应用
利用碳纳米管改善混凝土性能的研究与应用随着全球建筑业的迅速发展，混凝土建筑材料也被广泛应用于各种建筑场景中。
然而，随着时间推移和科技进步，传统混凝土的性能已经难以满足日益增长的建筑需求。
因此，如何提高传统混凝土的强度、耐磨性和耐久性成为了当今建筑行业的一个重要难题。
碳纳米管是一种具有优秀机械、电学、热学和化学性质的新型材料。
近年来，众多研究表明，将碳纳米管引入混凝土中，可以大幅度提高混凝土的强度和抗裂性能，改善混凝土材料的综合性能，对于解决传统混凝土材料难以改进的问题具有广泛的应用前景。
本文将重点介绍碳纳米管在混凝土性能改善方面的研究现状和应用前景。
一、碳纳米管的性质与应用碳纳米管是一种具有螺旋结构的碳纤维，主要呈现出管状、棒状和薄片状等形态。
它不仅具有高强度、高弹性模量，而且具有良好的机械性能和导电性能。
由于其独特的结构和性质，碳纳米管已经被广泛应用于纳米材料、化学传感器、电子元件、生物医学材料等领域。
与此同时，碳纳米管也逐渐被应用于混凝土材料的改性领域。
研究表明，将碳纳米管掺入混凝土中可以大幅度提高混凝土的强度和耐久性能，从而取代传统的混凝土材料，为建筑工业带来更好的性能和寿命。
二、碳纳米管对混凝土性能的改善1.改善混凝土的强度研究表明，加入碳纳米管后，混凝土的强度能够得到显著提高。
在混凝土中添加1%的碳纳米管可以将混凝土的抗拉强度提高20%以上，同时还能改善混凝土的压实强度和压缩强度。
这是因为，碳纳米管的高强度和高刚度特性可以有效地增强混凝土材料的力学性能。
2.优化混凝土的微结构研究表明，将碳纳米管添加到混凝土中可以对混凝土的微观结构进行优化。
碳纳米管的高比表面积可以显著改善混凝土的表面性质和孔隙结构，从而提高混凝土的密实度和耐久性能。
此外，碳纳米管还可以防止混凝土中晶体的生长，降低混凝土龟裂和损伤发展的风险，提高混凝土的抗裂性能。
3.提高混凝土的可持续性随着全球环境问题的日益严重，研究人员开始关注混凝土材料的可持续性。
碳纳米管对水泥基材料微观结构及耐久性能的影响
第48卷第5期 2020年5月硅 酸 盐 学 报Vol. 48，No. 5 May ，2020JOURNAL OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY DOI ：10.14062/j.issn.0454-5648.2020.05.20190638碳纳米管对水泥基材料微观结构及耐久性能的影响牛荻涛1,2，何嘉琦1，傅 强1,2，李 丹1，郭冰冰1,2(1. 西安建筑科技大学土木工程学院，西安 710055；2. 省部共建西部绿色建筑国家重点实验室/西安建筑科技大学，西安 710055)摘 要：碳纳米管是一种性能优异的纳米材料，将其掺入水泥基材料中将会显著影响水泥基材料的微观结构及宏观性能。
本文系统总结和分析了国内外有关碳纳米管对水泥基材料微观结构和耐久性能的研究成果。
讨论了碳纳米管对水泥基材料的水化特性、孔结构、微裂缝、内部界面及抗碳化能力、抗离子侵蚀能力、抗冻融破坏能力的影响及作用机理。
分析发现碳纳米管通过成核作用促进了水化产物的生成、影响了水泥水化反应速率，并通过填充作用和桥联作用优化了水泥基材料的孔结构和内部界面，阻碍了微裂缝的形成及扩展；此外，碳纳米管通过对水泥基材料微观结构的优化，提高了水泥基材料的抗碳化能力、抗离子侵蚀能力和抗冻融破坏能力等耐久性能。
目前，碳纳米管对水泥基材料微观结构及耐久性能影响的研究成果相对较少，相关结论也未完全达成一致，因此，还需要进一步的深入研究。
关键词：碳纳米管；水泥基材料；微观结构；耐久性；作用机理中图分类号：TU528 文献标志码：A 文章编号：0454–5648(2020)05–0705–13 网络出版时间：2020–03–06Effect of Carbon Nanotubes on Microstructure and Durability of Cement-Based MaterialsNIU Ditao 1,2, HE Jiaqi 1, FU Qiang 1,2, LI Dan 1, GUO Bingbing 1,2(1. School of Civil Engineering, Xi’an University of Architecture and Technology, Xi’an 710055, China; 2. State Key Laboratory ofGreen Building in Western China, Xi’an University of Architecture and Technology, Xi’an 710055, China)Abstract: Carbon nanotube is a kind of excellent nanomaterial. The incorporation of carbon nanotubes will affect the microstructure and macroscopic properties of cement-based materials. The research results about carbon nanotubes on the microstructure and durability of cement-based materials were analyzed. The effect of carbon nanotubes on the hydration characteristics, pore structure, micro-crack, internal interface, carbonization resistance, ion erosion resistance, frost and thaw resistance of cement-based materials and their mechanism were discussed. The results show that carbon nanotubes promote the generation of hydration products through nucleation and affect the hydration reaction rate of cement. The pore structure and internal interface of cement-based materials were optimized by the filling and bridging effects of carbon nanotubes, thus hindering the forming and expanding of micro-cracks Also, carbon nanotubes can improve the durability of the cement-based materials, such as carbonization resistance, ion erosion resistance, frost and thaw resistance via the optimization of the microstructure of the cement-based materials. At present, some further researches are thus needed since the research results of carbon nanotubes on the microstructure and durability of cement-based materials are relatively less and the relevant conclusions obtained are different.Keywords: carbon nanotubes; cement-based materials; microstructure; durability; mechanism of action水泥基材料由于具有较好的力学性能和耐久性能，目前已被广泛应用于土木工程的各个领域，如房屋建筑、桥梁、隧道、道路、港口等[1‒4]。
碳纳米管应用于水泥基复合材料的力学性能改善研究
的综 合性 能 尤其 是 力学性 能 最好 的纤维 材料 之 一． 参 照碳 纳米 管 巾碳 原子 的层 数不 同 ， 它 可被 分 为单
壁 碳纳 米 管 和 多 壁碳 纳 米 管 即 Ｓ ＷＣ Ｎ Ｔ ｓ 和 ＭＷＣ —
Ｈ ｛ 最 优 的碳 纳 米管掺 量 值 ． 最 后 对碳纳 米 管的掺 入 对水 泥基 复合 材料 的力 学 性 能增 强 的机 理 进 行 研
发展 ， 带来 一场 新 材 料 的科 技 革 命 ， 必将 为整 个 卒 十
会 创造 巨大 的利益提 供 空间 ．
文章 通 过 对碳 纳 米 管 水 泥净 浆 复 合材 料 进 行
力学试 验 ， 得 到不 同碳纳 米管 掺量 和不 同龄 期对 材 料 抗 压强度 和抗 折强 度 的影 响数 据 ， 在 此 基础上 得
究， 科学界研 究 比较 多的 基体 材料 主要 包 括 聚合 物 基， 陶瓷基及金 属基等等 ， Ｍ ｏ ｒ ｓ ｙ等 ｌ １ 发现水泥 中掺
人０ ． ０ ２ ％多壁碳纳 米管能够提 高其抗压 强度． 对于 水
泥 基复合材料 相 关方 面 的研 究非 常 少 ． 对于 它 的研
究 目前正处 于起步 阶段 ． 所以研究 意义重大 ． 对 材料 研 究的科 学 家而 言 ， 积 极对 碳纳 米管 掺 入水 泥基材 料 中 的研 究 已成 当务 之 急 ， 研 究之 后 ，
还 需 尽快推 广 运 用 ． 这 是 一场 技 术 革命 ， 需 要 投 入
资金精 力 ， 一旦 有所 成果 必将 带动 学 术界 对纳米 技
术 的新 认识 ， 并 且也 将带 动相 关高科 技 产 业的蓬 勃
泥基巾口 ｒ 以使其 获得 很好 的抗 裂能 力和 力学 性 能 ．
碳纳米管增强复合材料的力学性能研究
碳纳米管增强复合材料的力学性能研究复合材料是由两种或多种不同类型的材料通过一定的加工方式组合在一起而成，其中一种被称为增强相，另一种则称为基质相。
碳纳米管（Carbon Nanotube，简称CNT）作为一种新型的增强相材料，因其出色的力学性能而受到广泛关注。
本文将重点探讨碳纳米管增强复合材料的力学性能，并评估其潜在应用。
1. 碳纳米管的结构与性质碳纳米管是由由一个或多个由碳原子构成的六角截面的圆柱体组成的纳米级管状结构。
碳纳米管具有极高的比强度和比刚度，同时具有优良的导电性和导热性。
这些特性使得碳纳米管成为增强复合材料理想的增强相材料。
2. 碳纳米管增强复合材料的制备方法碳纳米管可以通过化学气相沉积、热解石墨和碳化物等方法制备得到。
在制备碳纳米管增强复合材料时，一般将碳纳米管与基质相材料进行混合，通过化学反应、传统制备方法或纳米级的加工方法使其形成复合材料。
3. 碳纳米管在普通复合材料中的作用由于碳纳米管的高比强度和高比刚度特性，将其引入普通复合材料中可以显著提高材料的力学性能。
碳纳米管的加入可以增加复合材料的强度、刚度和韧性，同时降低其密度。
这些改善的力学性能使得碳纳米管增强复合材料在结构材料、航空航天和汽车工业等领域具有广泛的应用前景。
4. 碳纳米管与基质相的界面碳纳米管与基质相之间的界面是影响复合材料力学性能的关键因素。
良好的界面相互作用可以有效地传递应力，提高复合材料的强度。
一些技术，如化学修饰和表面涂覆处理，已经被应用于改善碳纳米管与基质相之间的界面结合性能。
5. 碳纳米管增强复合材料的力学性能评价方法评价碳纳米管增强复合材料的力学性能通常涉及拉伸、压缩和弯曲等力学测试。
通过这些测试，可以了解复合材料的强度、刚度、韧性和疲劳性能等关键力学指标。
此外，还可以使用纳米力学测试方法研究碳纳米管在复合材料中的局部机械性能。
6. 碳纳米管增强复合材料的应用前景由于碳纳米管增强复合材料的出色力学性能和广泛的应用领域，它已经被广泛研究并应用于结构材料、电子器件、能源存储和传感器等领域。
碳纳米管增强复合材料的制备与性能研究
碳纳米管增强复合材料的制备与性能研究碳纳米管增强复合材料（Carbon Nanotube Reinforced Composites，简称CNT/Composites）是近年来材料科学领域的一项重要研究内容。
通过将碳纳米管（Carbon Nanotubes，简称CNTs）加入到基体材料中，可以显著提升复合材料的力学性能和导电性能。
本文将从制备方法、性能改进和应用前景三个方面，介绍碳纳米管增强复合材料的研究进展。
首先，关于CNT/Composites的制备方法，最常用的方法是层层堆砌法。
这种方法通过将CNTs与基体材料交替层层叠加，利用van der Waals力使得CNTs形成三维网络结构，从而提高复合材料的强度、硬度和韧性。
此外，还可以使用溶液浸渍、阳离子交换等方法将CNTs均匀分散到基体材料中，以获得更好的综合性能。
随着科学技术的进步，制备方法不断改进，已经可以实现大规模、高效率的制备。
其次，CNT/Composites可以显著改善复合材料的力学性能。
由于CNT具有出色的力学性能，作为增强相加入到复合材料中可以使其强度和刚度大幅提升。
实验证明，仅添加少量的CNTs就可以使复合材料的强度提高近倍，同时还能增加韧性和疲劳寿命。
此外，CNT还具有优异的导电性能，使得CNT/Composites可用于电子器件和导电复合材料。
这些优良性能使得CNT/Composites成为领域内备受关注的研究课题。
最后，CNT/Composites的应用前景广阔。
在航空航天、汽车、电子等领域，对高性能材料的需求日益增长，CNT/Composites因其优异的性能而备受关注。
例如，在航空航天领域，CNT/Composites可以用于制造轻量化结构件，提升飞机的燃油效率和载荷能力。
在电子领域，CNT/Composites可以应用于柔性电子器件、传感器等领域，为电子产品的发展带来新的可能性。
此外，CNT/Composites还可以用于电池、储能材料等节能环保领域，发挥重要作用。
碳纳米管在建筑水泥基复合材料中的研究进展
广 东 化 工 ｗｗｗ．ｇｄｃｈｅｍ．ＣＯ１］ｌ
４９
碳纳 米管在建筑 水泥基 复合材料 中的研 究进 展
尤 淑 金
（天滓 Ｊ￡【 没有 限 公 川， 泮 ３００２７０）
［摘 要 】碳 纳米 篱作 为 目前 最具 前景 的纳 米材 料之 一 ，凭 借其 优异 的 力学 、电学等性 能 在 水泥 复合 材料 中得 以应 用 本文 综述 近 年 来碳纳
存 碳纳 、 水骨增 强水 泥 介材 料性 能 的 问题 卜，找 ｆ『Ｊ阿短解 决 的 问题 足碳纳 米 管稳 定均 匀 分散 的 ＩＩＪ题 ，碳纳 水 管洲 仃极 人的 长 陉 比 ｆｌｌ强 人的 范德华 ，ｊｌ，Ｊ，使 其 械 抛 绕 成 Ｊｌ引， 从 而 导敛 住 溶 液 中 的 ，Ｊ ＼散瞍 较 低 。【 】只 仃制 各出均 Ｊ稳 定 分散 的碳 纳 １ 水箭 ， 才 可以他 其 水泥 基复 ＂料 中充 分 技 碳 纳 米管 超 姒的性 能 。 近 年来 ． 少 者 尝试 Ｊ 分散 方 求处 碳纳 米进展，总结了碳纳米管的分散方泫，分折 比较 了其对水泥基复合材料力学性能和压敏性的影响 ，以期为开展进 一 步研 宄提 供 帮助 。
【关 键词 】碳 纳米 管 ：水 泥基 材料 ： 力学性 能 ：压敏 性
ｆ中图分 类号 ＩＴＱ
［文献标 识码 】Ａ
［文章 编 号］１００７－１８６５（２０１８）０６—０１４９－０２
Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｒｅｖｉｅｗ ：Ｃａｒｂｏｎ Ｎ ａｎｏｔｕｂｅｓ ｉｎ Ｂｕｉｌｄｉｎｇ Ｃｅｍ ｅｎｔ Ｃｏｍ ｐｏｓｉｔｅｓ
Ｙｏｕ Ｓ１１ｔｔｉ ｉｎ （Ｔｉａｎｊｉｎ Ｙｏｕｓｈｉ Ｃｏｎｓｔ ｒ’ｕｃｔｉｏｎ Ｃｏ，Ｌｔｄ
碳纳米管增强水泥基复合材料的研发与应用
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碳纳米管水泥基复合材料的研究进展
第40卷第3期2021年3月硅㊀酸㊀盐㊀通㊀报BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY Vol.40㊀No.3March,2021碳纳米管水泥基复合材料的研究进展张继旭1,王文广2,3,李金权2,韩㊀杰1(1.辽宁石油化工大学土木工程学院,抚顺㊀113001;2.辽宁石油化工大学机械工程学院,抚顺㊀113001;3.中国科学院金属研究所,沈阳㊀110016)摘要:近年来,碳纳米管(CNTs)在传统胶凝材料中的应用愈来愈受到人们的重视㊂通过添加适量的CNTs,可以使胶凝材料的一些性能得到有效改善㊂本文综述了国内外有关CNTs 在水泥基材料中的应用研究进展,主要探讨了CNTs 对水泥基材料的力学性能㊁耐久性及微观结构的影响,掺加活性物质对CNTs /水泥基复合材料性能的影响,并且总结了当前研究中所存在的一些问题,为今后的研究前景提出了一些建议㊂关键词:碳纳米管;水泥基复合材料;力学性能;耐久性;微观结构;活性掺合物中图分类号:TU599㊀㊀文献标志码:A ㊀㊀文章编号:1001-1625(2021)03-0714-09Research Progress of Carbon Nanotubes Cement-Based CompositesZHANG Jixu 1,WANG Wenguang 2,3,LI Jinquan 2,HAN Jie 1(1.School of Civil Engineering,Liaoning Shihua University,Fushun 113001,China;2.School of Mechanical Engineering,Liaoning Shihua University,Fushun 113001,China;3.Institute of Metal Research,Chinese Academy of Sciences,Shenyang 110016,China)Abstract :In recent years,more and more attention has been paid to the application of carbon nanotubes (CNTs)in traditional cementitious materials.Some properties of cementitious materials are effectively improved by adding appropriate CNTs.The application of CNTs in cement-based materials was reviewed in this paper.The effects of CNTs on mechanical properties,durability and microstructure of cement-based materials and the addition of active substances on properties of CNTs /cement-based composites were mainly discussed.Some problems existing in the current research were summarized and some suggestions for future research prospects were put forward.Key words :carbon nanotubes;cement-based composites;mechanical property;durability;microstructure;active admixture 收稿日期:2020-10-26;修订日期:2020-11-25基金项目:国家自然科学基金(51641104)作者简介:张继旭(1995 ),男,硕士研究生㊂主要从事碳纳米管增强水泥基复合材料研究㊂E-mail:zhangjixu570@通信作者:王文广,博士,教授㊂E-mail:wgwang@ 0㊀引㊀言水泥基材料是世界上应用最普遍的工程材料,而水泥混凝土结构是最为常用的一种结构形式㊂混凝土作为脆性材料一旦出现事故将会引发不良的后果,故如何改善混凝土的性能并对其内部进行有效监测已成为工程师们普遍关注的问题[1-2]㊂材料领域的研究表明,在水泥基中加入适量的碳材料可以使其获得优异的力学性能[3]㊁导热性能[2,4]㊁耐久性[5]和压敏特性等[6-7]㊂这些特性不但能提高混凝土结构的使用年限,保证其安全性,还可以对其进行智能监控[8-10]㊂碳纳米管(CNTs)拥有特殊的内部结构㊁优异的力学性能㊁良好的导电性以及耐腐蚀性[11-15]等特性,且它的各项性能都优于其他碳材料㊂将分散良好的CNTs 与水泥基体结合不仅能赋予水泥基材料优异的力学特性[14,16-18],还能使其取得不错的压阻性能和导热性能[19],将CNTs 应用到高强智能监测水泥基中,能使砼结构的可靠性得到一定程度提升㊂本文先简介了CNTs 结构性能,并在此基础上综述了国内外学者对CNTs /水泥基复合材料力学性能㊁耐久性㊁导电性等性能的相关研究,探讨了掺加活性物质对碳纳米管水泥基复合材料性能的影响㊂㊀第3期张继旭等:碳纳米管水泥基复合材料的研究进展715 1㊀CNTs简介CNTs是碳的一种形式,直到20世纪90年代初日本电镜学家Iijima[20]在制备C60的过程中才确认CNTs 的存在㊂从结构形式上它主要可以分为SWNTs(单壁碳纳米管)和MWNTs(多壁碳纳米管)㊂作为一种纳米材料,CNTs分子之间存在较强的范德华力加之极大的长径比使其极易团聚[10,18],形成大量的团簇;而且CNTs表面缺乏活性基团且惰性较强,在各种溶剂中的溶解度都较小,这极大制约了其应用㊂图1(a)是扫描电子显微镜(SEM)下观测到的分散前团聚的MWNTs㊂若将分散不均的CNTs掺入到水泥基体当中,则它的团聚体会令水泥基体内部出现不同程度缺陷,使得水泥基体的诸多性能降低[21]㊂目前,国内外主要采用超声波分散㊁机械搅拌分散㊁物理表面(非共价键)修饰㊁化学表面(共价键)修饰等方法来克服CNTs的分子间作用力,以此实现CNTs在水泥基体中的均匀分散[22-26]㊂图1(b)是经分散后单体MWNTs的形态㊂图1㊀分散前㊁后的多壁碳纳米管形态Fig.1㊀Morphology of multi-wall carbon nanotubes before and after dispersion2㊀CNTs对水泥基材料性能的改善2.1㊀力学性能CNTs可以有效提高水泥基复合材料的力学性能㊂Xu等[28]将0.01%(占水泥质量分数)的MWNTs(直径10~20nm,长度5~15μm)掺到水泥砂浆中㊂在掺入之前采用混酸氧化法先对MWNTs进行羧基化处理,然后采用羰基分散和水分散两种方式分别对MWNTs进行分散㊂结果表明,采用水分散法试件的59d抗压强度和弯曲强度相较空白组分别提高了8.4%和5.4%,而采用羰基分散法的试件则提高了15.9%和20.7%㊂Hamzoui等[29]将0.01%~0.06%(质量分数)的CNTs掺到水泥砂浆中,结果表明,添加0.01%㊁0.02%和0.03%CNTs试件的90d抗压强度均有所增加㊂当CNTs掺量为0.01%时,水泥砂浆的抗压强度取得了最大值,但将CNTs的掺入量提高到0.06%时反而使得强度降低㊂Li等[16]将用混酸氧化法预处理的0.5%(质量分数)MWNTs(直径10~30nm,长度0.5~500μm)掺到水泥砂浆中,结果表明,试件28d抗压强度和抗弯强度相较于空白组分别提高了18.86%和25.51%㊂Morsy等[30]采用占水泥质量6%的纳米高岭粘土(NMK)配合掺量为0.005%㊁0.02%㊁0.05%㊁0.1% (质量分数)的CNTs制备试件,SEM结果表明,CNTs中含有粒径微小的NMK,从而使得自身的范德华力减小,分散效果更好㊂抗压强度试验表明,复合材料的抗压强度相比普通波特兰水泥提高了29%㊂Chaipanich 等[31]分别将0.5%㊁1%(质量分数)的MWNTs加入到粉煤灰水泥(粉煤灰质量占20%)中,CNTs采用超声分散法进行分散㊂结果表明:当CNTs掺量为0.5%(质量分数)时,水泥砂浆7d㊁28d㊁60d抗压强度相较于空白组分别提高了9.48%㊁8.1%和8.17%;当CNTs掺量为1%(质量分数)时,水泥砂浆的7d㊁28d㊁60d 抗压强度分别提高了9.15%㊁9.74%和8.96%㊂Ahmad等[32]分别将0.05%㊁0.1%(质量分数)的MWNTs 加入到普通硅酸盐水泥当中,CNTs采用分散剂聚丙烯呲配合水浴超声法进行分散,结果表明,较低含量的CNTs对试件抗拉强度提升效果更佳,而较高含量的CNTs对抗压强度更有帮助㊂表1总结了CNTs对水泥716㊀水泥混凝土硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第40卷砂浆力学性能的影响㊂不难得出结论,CNTs 可以提高水泥基复合材料的力学性能,但结果取决于诸多因素如CNTs 的分散方法㊁掺量㊁长径比㊁种类等㊂过多的CNTs 会在水泥基体中发生团聚,导致水泥颗粒部分水化并产生弱键水化产物[33]㊂此外,CNTs 可能无法被适当润湿,从而导致纤维拔出,力学性能下降[30]㊂有研究者探究了CNTs 对水泥基材料力学强度的改善机理㊂Konsta-Gdoutos 等[34]研究发现CNTs 可以通过填充水化硅酸钙(C-S-H)凝胶之间的孔洞来减小水泥砂浆的孔隙率㊂Metaxa 等[35]通过SEM 和能谱分析指出强度提高的一个原因是纤维桥联效应(见图2),这涉及CNTs 和水泥中水化产物各组分如C-S-H 凝胶的粘连作用,CNTs 通过延缓微裂纹的形成和展开,从而改善宏观力学性能;另一个原因是纳米材料的填料效应,CNTs 作为填料填充水化产物中的间隙空间,改善缺陷,在宏观上则表现为孔隙率降低,水泥基体强度提高㊂Makar 等[33]研究指出CNTs 在水泥浆体中存在着类似其他纳米颗粒的晶核效应,C-S-H 凝胶会更容易团聚在CNTs 周围而不是沉积在未水化的水泥颗粒表面,从而CNTs 和C-S-H 凝胶容易形成紧密结合状,则水泥基材料力学性能得到提升㊂表1㊀CNTs 对水泥砂浆力学性能的影响Table 1㊀Effects of CNTs on mechanical properties of cement mortarReferenceCNTs content (mass fraction)/%Diameter /nm Length /μm Treatment Dispersion Effect Xu,et al [28]0.0110~205~15H 2SO 4and HNO 3Carbonyl or aqueous Increased compressive strength and flexural strength Hamzaoui,et al [29]0.01~0.0620~400.5~40 Sonication 0.01%~0.3%(mass fraction)CNTs increased 90d compressive strength Konsta-Gdoutos,et al [34]0.025,0.048,0.0820~4010~100 Surfactant and sonication Increased compressive strength and flexural strength Parveen,et al [36]0.1<810~30 Surfactant and sonication Increased 28d compressive strength Li,et al [16]0.510~300.5~500H 2SO 4and HNO 3 Increased compressive strength and flexural strength Morsy,et al [30]0.5~103~8 Organic ammonium chloride Increased 28d compressive strength Chaipanich,et al [31]0.5,1<100 Sonication Increased 7d,28d,60d compressive strength图2㊀CNTs 对微裂纹的桥联效应[35]Fig.2㊀Bridging effect of CNTs on microcracks [35]2.2㊀耐久性水泥基材料的耐久性,是指其在合理使用前提下抵挡各种外在或内在的损坏因素作用,持久保持外观完好性以及力学强度的能力[37],其中主要包括抗腐蚀㊁抗碳化㊁抗冻融反应等[38]㊂王宝民等[39]总结了其他学者对CNTs 的研究,认为水泥基材料的耐久性除了受自身化学组成影响之外,孔隙率㊁微裂缝等是主要决定因素,CNTs 通过自身的填料效应填补微孔隙以及优化大孔隙结构,从而改善水㊀第3期张继旭等:碳纳米管水泥基复合材料的研究进展717泥基材料的耐久性㊂Kong等[40]认为水泥基材料的耐久性与其自身强度密实性有关,而加入CNTs可以增强水泥基材料强度及韧性,从而提高其耐损性㊂Wang等[41]将0.1%(质量分数)的MWNTs(直径10~20nm,长度10~30μm)掺入到水泥净浆中,MWNTs采用表面活性剂配合超声分散法进行分散㊂结果表明,掺入0.1%MWNTs试件的28d孔隙率相较于空白组提高了14.7%,而含0.1%经羧化处理MWNTs试件的28d 孔隙率相较于空白组降低了27.52%㊂Kang等[42]将0.1%(质量分数)的MWNTs(直径20nm,长度1~25μm)掺入到水泥硅灰混合物中,MWNTs先采用混酸氧化法进行处理再配合超声分散法进行分散㊂结果表明,含经羧化处理的MWNTs试件的孔隙率与空白组相当,而含未经处理的MWNTs试件的孔隙率较空白组有所降低㊂Xu等[27]在水泥浆体中加入不同含量的MWNTs(直径40~80nm,长度5~15μm)㊂结果表明,添加0.025%㊁1%和2%(质量分数)MWNTs试件的总孔隙体积相较于空白组分别降低2.33%㊁4.83%和5.96%,孔隙率分别降低1.54%㊁3.9%和4.5%㊂表2总结了CNTs对不同水泥基体孔隙率㊁吸水率及抗渗性的影响㊂Nochiya[43]㊁Konsta-Gdoutos[34]和Xu[27]等指出水泥基材料孔隙率的降低与CNTs的填料效应有关㊂CNTs可以填充水泥水化产物之间的孔洞,改善孔径结构,从而使孔隙量下降,孔隙率降低㊂在水泥基材料中掺入CNTs可以提高其抗冻性和耐热性㊂Li等[44]将0.3%(质量分数)的含羧基碳纳米管(直径10~20nm,长度10~30μm)掺入到水泥砂浆中,在养护28d后,砂浆试件采用在负温空气中冻结㊁正温水中融化的方法分别进行30次㊁60次和90次冻融循环试验㊂结果表明,经过30次㊁60次和90次冻融循环后,掺入MWNTs试件的抗压强度相较于对照组分别提高了26%㊁40%和43%㊂Amin等[45]将0.02%㊁0.05%㊁0.1%和0.2%(质量分数)的MWNTs(10~40nm,长度5~10μm)加入到水泥净浆及Homra(砖土废料混合物)中,试件分别在300ħ㊁600ħ㊁800ħ的条件下煅烧3h㊂结果表明,添加0.1%的MWNTs能更好地改善Homra/OPC-CNTs(含砖土废料的碳纳米管水泥基复合材料)的热力学性能㊂Amin等[45]认为CNTs 的存在不影响Homra/OPC混合物的水化反应,它通过物理作用增加复合材料耐热性及抗压强度㊂具体表现为桥联效应和填充作用提高了水泥基材料的抗压强度,CNTs较高的热稳定性提高了水泥基材料的耐热性㊂表2㊀CNTs对不同水泥基体孔隙率㊁吸水率和抗渗性的影响Table2㊀Effects of CNTs on porosity,water absorption and impermeability of different cement matrixes Reference CNTs content(mass fraction)/%Diameter/nm Length/μm Type Treatment Dispersion Effect Camacho,et al[46]0.110~3010~30Paste Surfactant and sonication Increased28d porosity Hu,et al[47]0.110~3010~30Paste COOH Surfactant and sonication Reduced28d porosity Wang,et al[41]0.1220~405~15Paste Arabic gum Surfactant and sonication Reduced28d porosity Matzui,et al[48]0.2<810~30Mortar Surfactant and sonication Reduced28d waterabsorption,permeability Li,et al[44]0.310~2010~30Mortar COOH Milling Reduced28d porosity Yazdani,et al[49]0.5~1.550500Paste Sonication Reduced28d porosity,improved permeability resistance 2.3㊀导电性及压敏特性Singh等[50]在水泥浆体内加入不同质量分数的MWNTs(直径60nm,长度15μm)㊂结果表明,试件的电导率随着MWNTs含量的增加而增加,其中质量分数为15%的试件的电导率相较于空白组提高了约十万倍㊂Han等[51]将质量分数为0.1%的MWNTs(直径<8nm,长度10~30μm)加入到水泥浆体中,其中MWNTs采用SDBS(十二烷基苯磺酸钠)进行分散㊂结果表明,水泥基复合材料的导电率随着含水量的增加而增加㊂Luo[52]和Singh[50]等认为MWNTs对水泥基体导电性的改进主要取决于其在基体中的含量,含有低浓度MWNTs的复合材料的电导率仍然接近于普通水泥基体㊂事实上,MWNTs自身较大的长径比结构和低密度的特性使其容易在水泥基体中形成致密的导电网络,从而提高基体的导电性能㊂Azhari等[53]在水泥浆体中加入质量分数为0.1%的MWNTs(直径10~20nm,长度10~30μm)和质量分数为15%的CF(碳纤维),研究了两种纳米材料对水泥基体压敏特性的影响并与含有传统应变片的传感器进行了比较㊂结果表明,CF和MWNTs均能显著提高胶凝材料的电导率㊂在循环加载条件下,两种传感718㊀水泥混凝土硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第40卷器的电阻率变化能较好地反映出相应外加荷载和材料应变值的变化,而在任意加载速率下,含有CF和MWNTs的传感器相较于传统传感器能更好地拟合外加荷载和材料应变的变化曲线㊂Han等[51]认为水泥基体的压阻灵敏度随着含水率的升高,先增大后减小,含水率为0.1%㊁1.3%㊁3.3%㊁5.7%㊁7.6%和9.9%的MWNTs/水泥复合材料的压阻灵敏度分别为0.0kΩ/MPa㊁0.61kΩ/MPa㊁0.73kΩ/MPa㊁0.68kΩ/MPa㊁0.34kΩ/MPa和0.06kΩ/MPa㊂Li等[16]在水泥浆体中分别加入质量分数为0.5%的非官能团化和官能团化的MWNTs(直径10~30nm,长度0.5~500μm)㊂结果表明,含有MWNTs试件的压阻敏感性均得到提高,其中含官能团化MWNTs的试件提高效果更为显著㊂Kim等[54]在水泥砂浆中加入质量分数为0.1%㊁0.5%和2%的MWNTs(直径<8nm,长度10~30μm),在循环荷载作用下通过降低W/B(水胶比)提高了压阻敏感性㊂CNTs可以有效提高水泥基复合材料的压敏特性,而其压阻敏感性取决于多种因素,如CNTs的类型㊁浓度㊁表面处理情况及基体含水率等,其中CNTs浓度是主要影响因素㊂由于其良好的压阻特性,故将CNTs应用到水泥基中智能监测结构的内部状况是一个不错的选择[55]㊂3㊀添加活性物质对碳纳米管水泥基复合材料性能的影响水泥基材料中约70%的水化产物 对强度发挥关键作用的C-S-H凝胶本身即具有纳米尺寸,在硬化水泥浆体中,纳米级C-S-H凝胶之间化学键极少,其强度贡献主要来源于纳米尺寸效应[2]㊂因此,添加具有火山灰活性的矿物掺合料等物质对碳纳米管水泥基复合材料进行纳米功能化改性[56]成为越来越多研究人员所关注的热点㊂3.1㊀以SiO2为主要成分的活性物质Stynoski等[57]在水泥砂浆中添加了体积分数为0.05%的MWNTs(直径20~40nm,长度0.5~40μm)和质量分数为5%的SF(超细硅灰)㊂结果表明,SF的加入使材料的7d抗弯强度和杨氏模量相较于只加MWNTs的试件分别提高了0.98%和4.12%,28d抗弯强度和杨氏模量分别提高了20.38%和19.88%㊂Kim等[58]在水泥砂浆中加入了质量分数分别为0.15%和0.3%的MWNTs(直径12~40nm,长度10μm),在此基础上分别加入了质量分数为10%㊁20%和30%的SF以期提高MWNTs/水泥基复合材料的抗压强度㊂试验结果如图3所示,在试件中添加10%~20%的SF可有效提高复合材料的抗压强度㊂在含0.15%㊁0.3%(质量分数)MWNTs的试件中分别添加10%(质量分数)的SF,抗压强度相较于不添加SF的试件分别提高了1.29倍和1.2倍;当SF的质量分数达到20%时,抗压强度相较于不添加SF的试件分别提高了1.12倍和1.24倍;而当SF添加量达到30%时,含0.15%MWNTs试件的抗压强度略有提高,但对含0.3%MWNTs试件的抗压强度有明显削弱作用㊂同时还研究了SF对MWNTs/水泥基复合材料电阻率的影响,对于质量分数为0.3%的MWNTs,随着SF质量分数从0%增加到30%,试件电阻从108Ω急剧下降到104Ω㊂图3㊀SF掺量对MWNTs/水泥基复合材料抗压强度的影响[58]Fig.3㊀Effect of SF content on compressive strength of MWNTs/cement-based composites[58]㊀第3期张继旭等:碳纳米管水泥基复合材料的研究进展719 Hunashyal[59]在质量分数为0.75%的MWNTs(直径10~30nm,长度1~2nm)/水泥基复合材料中加入了质量分数为0.5%的纳米SiO2(直径10~20nm)㊂结果表明,随着纳米SiO2的加入,试件28d抗压强度㊁抗弯强度㊁抗弯模量㊁韧性指标和延性指标分别提高了12.59%㊁51.15%㊁6.34%㊁72.61%和5.36%㊂Kim等[58]总结了SF的加入对CNTs在水泥基体中分散性的影响并分析了材料相关性能提高的机理㊂在没有SF的水泥基体中,CNTs不易分散,并倾向于团聚,主要粒径为100~500μm(见图4(a))㊂当在水泥基体中添加少量SF时(见图4(b)),一些团聚的CNTs与SF颗粒混合,在机械作用下被分解成较小的尺寸,另外一些CNTs作为分散良好的单体嵌入在水泥-二氧化硅水化产物中形成嵌入CNTs的群落,这些群落作为增强纤维锚钉在水泥基体中,发挥类似桥联效应[35]的作用从而提高材料强度㊂随着SF含量的进一步增加(见图4(c)),团聚的CNTs在高含量的硅灰环境中被完全分离并密集分散,然而随着单个CNTs数量的增加,分散的CNTs重新团聚并形成大小为1~10μm的CNTs簇㊂CNTs的团聚不仅可能覆盖水泥颗粒的表面阻碍水泥水化产物的生成,同时还包裹着一定量的硅灰使其无法与水泥发生反应,从而使复合材料相关力学性能下降㊂图4㊀CNTs在无SF㊁低含量SF和高含量SF的水泥基体中分散的示意图[58]Fig.4㊀Dispersion of CNTs in cement matrix without SF,with low content SF,and with high content SF[58]3.2㊀其他常用的活性物质Javed等[60]在水泥砂浆中添加了质量分数为0.3%的MWNTs(直径20~55nm)和质量分数为0.2%的MnFe2O4纳米粒子(直径49nm)㊂结果表明,加入MnFe2O4纳米粒子后,试件2d和14d的抗压强度分别提高了约16.1%和20%㊂Hallad等[61]在水泥浆体中加入了质量分数为0.75%的MWNTs(直径10~30nm,长度1~2nm)和质量分数为1%的纳米Al2O3(直径15nm)㊂结果表明,随着纳米Al2O3的加入,试件28d抗压强度㊁抗弯强度和韧性指标分别提高了27.53%㊁30.22%和98.69%㊂龚建清等[5]通过研究不同掺量的氧化石墨烯和CNTs对水泥基复合材料抗冻性的影响,认为掺入氧化石墨烯能显著减小CNTs/水泥基复合材料的质量损失率和强度损失率,其中氧化石墨烯掺量为0.08%(质量分数)的试件在300次冻融循环后质量损失率仅为0.2%,强度损失率仅为11.5%,强度损失率比仅掺CNTs的试件低8.8%㊂这很大程度上是由于氧化石墨烯能优化CNTs/水泥基复合材料的孔结构,即减小孔径㊁总孔隙量,使贯通孔成为封闭孔,增大水泥石的强度㊂4㊀结㊀语(1)CNTs可以提高水泥基复合材料的力学性能,但其结果取决于诸多因素,如CNTs的分散方法㊁掺量㊁长径比㊁种类等㊂其中大多数学者试验的CNTs掺量集中在0.025%~0.5%(质量分数)之间,CNTs的种类及其长径比应结合具体的分散方法进行使用㊂目前,对于CNTs增强水泥基材料力学性能的机理主要可分为填料效应㊁晶核效应及增韧效果,这些作用使得水泥基体整体内部结构得到改善,故提高了水泥基材料的宏观力学性能㊂然而增韧效果中CNTs发挥桥联作用的明确长度尚未确定,碳纳米管水泥基复合材料的作用机理也未形成完整理论体系,今后宜结合计算机数值模拟及试验研究从分子间作用力㊁共价键聚合等方面720㊀水泥混凝土硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第40卷入手,探寻碳纳米管对水泥基复合材料的详细作用机理㊂(2)CNTs可以改善水泥基材料的耐久性能,如抗腐蚀性㊁抗冻性㊁耐热性等,结果取决于诸多因素,如CNTs的分散方法㊁掺量㊁长径比㊁表面处理情况等㊂其改善的主要机理为填料效应,具体表现为CNTs填充水泥水化产物之间的孔洞,优化孔径结构,从而使孔隙量下降,孔隙率降低;CNTs同时也能增强水泥基体的导电性能和压阻灵敏度,这主要得益于其自身的特殊结构和压阻特性使其容易在水泥基体内部形成导电网络㊂故将CNTs用于智能监测建筑物结构是一种不错的选择㊂(3)在CNTs/水泥基复合材料中加入5%~20%(质量分数)SF㊁0.3%(质量分数)MnFe2O4㊁1%(质量分数)纳米Al2O3㊁0.5%(质量分数)纳米SiO2可不同程度上提高其力学性能㊁耐久性等,纳米粒子对CNTs/水泥基复合材料的改性机理可以总结为两个方面:首先是对水泥砂浆整体内部结构的改善,分散在水泥基体中的微粒可以发挥晶核效应,加速水泥水化反应过程并为水化产物提供充裕的空间,使水泥石结构更为致密;其次是对水泥-骨料过渡区界面结构的改善,普通水泥基材料过渡区密实程度较低且存在较宽的裂纹,而纳米粒子的火山灰效应有助于降低Ca(OH)2晶体的数量防止其定向增长,且生成致密的C-S-H凝胶等水泥水化产物,使过渡区界面结构变得均匀㊁密实㊂参考文献[1]㊀权开玉.碳纳米管/环氧树脂复合材料性能研究[J].橡塑技术与装备,2019,45(2):36-42.QUAN 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碳纳米管水泥基复合材料的研究综述
总752期第十八期2021年6月河南科技Journal of Henan Science and Technology碳纳米管水泥基复合材料的研究综述王兵朱洲萍闵金伟林泽桦（江西理工大学土木与测绘工程学院，江西赣州341000）摘要：在广大学者的共同努力下，关于碳纳米管水泥基复合材料的性能研究越来越多，已取得了一些研究成果。
基于此，本文对碳纳米管在水泥基复合材料中的应用研究进行综述，包括碳纳米管在水泥净浆中的应用研究，碳纳米管在混凝土中的应用研究，碳纳米管在砂浆中的应用研究。
关键词：碳纳米管；水泥基；力学性能中图分类号：TQ172.1；TB332文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）18-0092-03 Review of Carbon Nanotube Cement-Based CompositesWANG Bing ZHU Zhouping MIN Jinwei LIN Zehua（School of Construction and Surveying&Mapping Engineering,Jiangxi University of Science and Technology，Ganzhou Jiangxi341000）Abstract:With the joint efforts of many scholars,there are more and more researches on the properties of carbon nanotube cement matrix composites,and some achievements have been made.Based on this,this paper summarizes the application research of carbon nanotubes in cement-based composites,including the application research of car⁃bon nanotubes in cement paste,the application research of carbon nanotubes in concrete and the application research of carbon nanotubes in mortar.Keywords:carbon nanotubes；cement-based；mechanical properties由于混凝土的凝结硬化特性，其内部往往存在大量的原生微裂缝、空隙与缺陷。
混凝土中添加碳纳米管的强度和韧性研究
混凝土中添加碳纳米管的强度和韧性研究综述：混凝土作为一种广泛应用于建筑工程中的材料，其强度和韧性一直是研究的热点问题。
近年来，随着碳纳米管技术的不断发展，许多研究人员开始关注混凝土中添加碳纳米管对混凝土性能的影响。
在本文中，我们将综述近年来有关混凝土中添加碳纳米管的强度和韧性研究，包括碳纳米管在混凝土中的作用机理、碳纳米管对混凝土强度和韧性的影响、影响因素以及未来研究方向等。
机理：碳纳米管的引入可以改善混凝土的微观结构，从而提高混凝土的强度和韧性。
一方面，碳纳米管可以填充混凝土中的孔隙，减少混凝土的孔隙率，提高混凝土的密实性，从而提高混凝土的强度。
另一方面，碳纳米管的高强度和高韧性可以增强混凝土的韧性，使混凝土具有更好的抗裂能力。
影响：碳纳米管的添加对混凝土的强度和韧性有显著的影响。
研究发现，适量添加碳纳米管可以提高混凝土的抗压强度、抗拉强度和韧性，但过多的添加可能会导致混凝土的强度和韧性下降。
此外，碳纳米管的长度、直径、含量等因素也会对混凝土性能产生影响。
一般来说，碳纳米管的长度和直径越小，添加含量越低，对混凝土的影响就越小。
未来方向：混凝土中添加碳纳米管的研究仍处于初级阶段，还有许多问题需要进一步研究。
未来的研究方向可以从以下几个方面展开：（1）研究不同类型的碳纳米管对混凝土性能的影响；（2）探究不同加工工艺对碳纳米管-混凝土复合材料性能的影响；（3）研究碳纳米管与其他纤维材料的混合使用对混凝土性能的影响；（4）发展更加可行的碳纳米管-混凝土复合材料制备技术。
结论：混凝土中添加碳纳米管是一种具有广阔应用前景的研究方向。
适量添加碳纳米管可以提高混凝土的强度和韧性，但添加量不宜过多，否则会导致混凝土性能下降。
未来的研究方向应该是深入探究碳纳米管-混凝土复合材料的性能，发展更加可行的制备技术，为该材料的应用提供更加广泛的可能性。
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ＺＨＯＵＸｉａｏｐｉｎｇ１，ＸＩＡＪｉａｎｇ１，ＲＡＮＸｕ２
（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＣｈｏｎｇｑｉｎｇＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ４０００７４，Ｃｈｉｎａ； ２．ＣｈｏｎｇｑｉｎｇＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＤｅｓｉｇｎＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ４４１０５３，Ｃｈｉｎａ）
摘 要：通过试验研究了多壁碳纳米管（ＭＷＣＮＴｓ）掺量对水泥净浆的力学性能、水化特性、凝结时间、孔隙分布等 性能的影响，并采用 ＳＥＭ（扫描电镜）观察与分析了 ＭＷＣＮＴｓ改性水泥净浆的微观形貌。结果表明，ＭＷＣＮＴｓ的掺 入会降低水化过程中矿物的溶解速率，因而延缓了水泥的水化进程；在适宜的掺量范围内，ＭＷＣＮＴｓ能够有效提升 水泥净浆的力学强度，但当其掺量过高时，反而会对力学强度造成不利影响；ＭＷＣＮＴｓ在水泥净浆中能够分散均匀 并降低水泥净浆的孔隙率，使其变得更加密实。 关键词：ＭＷＣＮＴｓ；水泥净浆；力学强度；水化反应；微观结构 中图分类号：ＴＱ１７２．７；ＴＵ５２８ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７１－３２０６（２０１９）１０－２２８４－０５
水泥基材料凭借其低廉的造价、良好的可塑性、 常温下固化以及稳定的性能而被大量应用至木土工 程领域［１］，但 传 统 的 水 泥 基 材 料 却 普 通 存 在 脆 性 大、韧性差、抗拉强度低及易产生裂缝等缺点，这在 一定程 度 上 影 响 了 水 泥 基 材 料 的 耐 用 性 。 ［２３］ 目 前，常采用掺加纳米改性剂来改善水泥基材料的物 理与力学性能。与其他种类的纳米改性材料相比， 多壁碳纳米管（ＭＷＣＮＴｓ）具有一系列优异的性能， 若将其掺入水泥基材料进行改性复合，势必会极大 地增强与改善普通水泥基材料的综合性能［４６］。
目前大多数研究者都将研究重点放于碳纳米管 增强水泥材料的力学性能上，很少有对 ＭＷＣＮＴｓ改 性水泥基材料的综合性能进行系统研究的报道，因
此本文采用 ＭＷＣＮＴｓ对水泥净浆进行改性，形成复 合改性水泥基材料，并对其力学性能、水化特性、凝 结时间、孔隙分布、微观形貌等性能进行全面且系统 的评价。
１ 实验部分
第 ４８卷第 １０期 ２０１９年 １０月
应 用 化 工 ＡｐｐｌｉｅｄＣｈｅｍｉｃａｌＩｎｄｕｓｔｒｙ
Ｖｏｌ．４８Ｎｏ．１０ Ｏｃｔ．２０１９
多壁碳纳米管改性水泥基复合材料的性能研究
周小平１，夏江１，冉旭２
（１．重庆交通大学 土木工程学院，重庆 ４０００７４；２．重庆交通大学设计研究院有纯度 ／％ 比表面积 ／（ｍ２·ｇ－１） 导电率 ／（Ｓ·ｃｍ－１）
２０～３０ １０～３０ ＞９７
＞２００
＞１５０
收稿日期：２０１８１２２１ 修改稿日期：２０１９０１２９ 基金项目：国家自然科学基金资助项目（５１７７８０９６）；重庆交通大学研究生教育创新基金项目资助（２０１８Ｓ０１０９） 作者简介：周小平（１９７７－），男，重 庆 人，重 庆 交 通 大 学 讲 师，主 要 研 究 方 向 为 道 路 结 构 与 路 面 新 型 材 料 研 发。 电 话：
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆＭＷＣＮＴｓｏｎｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ，ｈｙｄｒａｔｉｏｎｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ，ｃｏｎｄｅｎｓａｔｉｏｎｔｉｍｅ，ｐｏｒｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎａｎｄｏｔｈｅｒｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｃｅｍｅｎｔｐａｓｔｅｓｗｅｒｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄｂｙｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ，ｍｏｒｅｏｖｅｒ，ｔｈｅｍｉｃｒｏ ｓｃｏｐｉｃｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙｏｆＭＷＣＮＴｓｍｏｄｉｆｉｅｄｃｅｍｅｎｔｐａｓｔｅｓｗａｓｏｂｓｅｒｖｅｄａｎｄａｎａｌｙｚｅｄｂｙＳＥＭ．Ｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗ ｔｈａｔｔｈｅｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎｏｆＭＷＣＮＴｓｃａｎｒｅｄｕｃｅｔｈｅｄｉｓｓｏｌｕｔｉｏｎｒａｔｅｏｆｍｉｎｅｒａｌｓｉｎｔｈｅｈｙｄｒａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ， ｔｈｕｓｄｅｌａｙｉｎｇｔｈｅｈｙｄｒａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｏｆｃｅｍｅｎｔ；ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ＭＷＣＮＴｓｃａｎｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｍｅｃｈａｎｉ ｃａｌｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｃｅｍｅｎｔｐａｓｔｅｓｗｉｔｈｉｎｔｈｅａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅｄｏｓａｇｅｒａｎｇｅ，ｂｕｔｗｈｅｎｔｈｅｍｉｘｉｎｇａｍｏｕｎｔｉｓｔｏｏ ｈｉｇｈ，ｉｔｗｉｌｌａｄｖｅｒｓｅｌｙａｆｆｅｃｔｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｔｒｅｎｇｔｈ；ｉｎａｄｄｉｔｉｏｎ，ＭＷＣＮＴｓｃａｎｄｉｓｐｅｒｓｅｅｖｅｎｌｙｉｎｃｅｍｅｎｔ ｐａｓｔｅｓａｎｄｒｅｄｕｃｅｔｈｅｐｏｒｏｓｉｔｙｏｆｃｅｍｅｎｔｐａｓｔｅｔｏｍａｋｅｉｔｍｏｒｅｃｏｍｐａｃｔ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＭＷＣＮＴｓ；ｃｅｍｅｎｔｐａｓｔｅｓ；ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｔｒｅｎｇｔｈ；ｈｙｄｒａｔｉｏｎｒｅａｃｔｉｏｎ；ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
１３２０６１６７７０５，Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｈｏｕｘｉａｏｐｉｎｇ＿ｃｑｃｔｄｘ＠ａｌｉｙｕｎ．ｃｏｍ
第 １０期
周小平等：多壁碳纳米管改性水泥基复合材料的性能研究
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Ｔｅｓｔｏ２０５型高精度 ｐＨ测量仪；ＡｐｕｒｅＥＳ５１型 便携导电率测量仪；Ｌ９３６型六路温度记录仪；Ａｕｔｏ ＰｏｒｅＩＶ９５００型 全 自 动 压 泵 仪；ＣＡＲＬＺＥＩＳＳＳｉｇｍａ 型场发射扫描电镜。 １．２ 试样制备
１．１ 材料与仪器
Ｐ·Ｏ４２．５Ｒ水 泥；多 壁 碳 纳 米 管，相 关 技 术 参
数见表 １；十 二 烷 基 苯 磺 酸 钠 （ＳＤＢＳ），分 析 纯；自
来水。
表 １ 多壁碳纳米管的技术参数
Ｔａｂｌｅ１ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｍｕｌｔｉｗａｌｌｅｄ
ｃａｒｂｏｎｎａｎｏｔｕｂｅｓ