【精编】酸化碳纳米管增强水泥基复合材料的力学性能及碳纳米管在水泥基复合材料中的微观研究.docx

1.绪论1.1研究背景1.1.1纳米材料以及碳纳米管国际纳米材料会议在1992年对纳米材料定义为:材料中任一维的尺寸达到100nm以下称为纳米材料[1]。纳米科技应用在诸多领域，主要包含：纳米体系物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米生物学、纳米力学[2]。纳米科学家[3-4]在纳米领域中研究了人类之前从来没有了解的非宏观，非微观的领域，而是在探索两者的中间领域，让人们对世界又有了一个新的认识，提高了一个层次，让人们在研究如何去改造自然的道路上越走越快，研究的物质也是从大到小，从分子水平到原子水平，同时，这也标志着人类即将跨入一个全新的时代，即纳米时代。在21世纪的今天，一场以纳米科技为中心的文明正在向我们走来，我们将迎来一场新的纳米科技革命。从广义上来说，纳米材料是指在三维维度空间中，至少有一维处于1纳米到100纳米之间，并将其作为基本的单元结构构成的材料。纳米材料的组成[5]在维数上可分成三类:第一类二维，是指在三维空间中，只要有一维处于纳米尺度即可，如超薄膜、多层膜、超晶格等，第二类一维，是指在三维空间中有两维都处于纳米尺度，如纳米丝、纳米棒、纳米管等；第三类零维是指在三维空间尺寸全部都处在在纳米尺度以内，如纳米尺度颗粒、原子簇等。纳米材料具有很多种特性，比如:①小尺寸效应：是指当纳米微粒尺寸与光波波长，传导电子的德布罗意波长相比时，它的物理尺寸差不多或者更小，纳米材料的周期性边界被损坏，使材料本身的声音、电、磁感应、热能等性能都出现了特殊的现象。比如我们平时所熟知的铜，在我们生活中的电线就是由铜线做成的，因为铜线可以导电，但是铜离子在达到纳米尺度时就不能导电；平时处于绝缘状态的二氧化硅颗粒，在其达到20纳米的尺度时却开始导电；②宏观量子隧道效应：隧道效应是指微观粒子具有穿过势垒的能力，纳米粒子在磁化以后的也具有了隧道效应，它们可以穿过宏观系统的势垒而产生改变，这种效应被称做是纳米粒子的宏观量子隧道效应；③量子尺寸效应：伴随着材料尺寸的逐渐减小,颗粒性质会在一定的条件发生变化，一般来说,一种结构的线度在某一方向上小于费米面的布罗意波的波长时，则其在那一方向上的量子尺寸效应会很明显。因为纳米材料的尺寸非常小，几乎与它的物理特征量相差无几，所以在和电子的德布罗意波长、超导相干波长比较时,电子会被限制在一个体积非常小的纳米空间,它的运动会遭到限制,平均自由程也会变得很短，但是电子的局域性和相干性增强[6]。碳纳米管（CarbonNanotube，CNT）是由日本科学家Iijima在1991年偶然发现的一种纤维材料(),由碳纳米晶体组成，外形看起来是一个无缝隙的空心管。碳纳米管是一维纳米材料,它的重量非常轻,六边形结构完美的连接起来。碳纳米管具有诸多十分优异的力学性能、电磁学性能和化学性能。据有关研究发现，碳纳米管的抗拉强度可达到50～200GPa，是目前为止研究学者们发现的最强的纤维；还具有良好的轴向导电性，是一种很好的的一维纳米材料；轴向热交换性能很好，但是径向热交换性能很差，是一种理想的各向异性热导材料；中空结构，使其具有可观的储氢性能，也是理想的催化剂载体材[7-11]。在研究碳纳米管的力学性能方面,发现碳纳米管的强度和韧性极高,弹性模量也极高，约为1-8TPa,是钢的5倍；其弹性应变可达5%,最高12%,约为钢的60倍,而密度只有钢的几分之一，其断裂应变可达10-30%。碳纳米管无论是强度还是韧性,都远远优于任何纤维，将碳纳米管加入到材料中可作为复合材料的增强体。正是由于碳纳米管的物理、化学、光学和电学性能非常优异，使其在超级电容器、复合材料、电磁屏蔽材料、储氢材料、锂电子电池、场发射、催化剂载体等领域都有很大的作用[12]，具有巨大的应用前景。在研究将碳纳米管加入到水泥基材料影响水泥基材性能的时候，不同研究人员在对其研究的报道中得到的结果呈现一定的差异，制备的关键技术在于将碳纳米管在水泥基体中均匀分散，并使其基体间能够形成稳定而牢固的界面结合，从而能最大限度的发挥碳纳米管增强增韧的作用[13-15]。1.1.2水泥基复合材料自1756一些石灰在水中是如何硬化的时候，在其硬化的过程中发现：如果想要得到水硬性石灰，就必须烧制含有粘土的石灰石；后来工程师们研究发现最理想的成分是由水硬性石灰和火山灰组合而成。这个重要的发现为近现代水泥的发展和使用打下了理论基础。1824波特兰水泥问世，从那以后水泥制品历经了多次研究和发展，从波兰特水泥到砂浆，从砂浆到混凝土，从混凝土到钢筋混凝土，从钢筋混凝土到石棉水泥，从预应力混凝土到外加剂混凝土，从高强混凝土再到目前的高性能混凝土[16-17]。随着科技的提高和建筑的需求，一般普通水泥基材料的性能已不能满足不了施工要求，因此，世