碳纖維水泥基復(fù)合材料研究進(jìn)展

1、碳纖維水泥基復(fù)合材料研究進(jìn)展摘要：水泥混凝土材料以其抗壓強(qiáng)度高、施工方便等優(yōu)點(diǎn)在人類建筑史上發(fā)揮了重要作用，但由于其功能單一、脆性大、自重大、抗拉強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度低等缺點(diǎn)，在特殊領(lǐng)域中的用途受到了很大限制。碳纖維具有高彈性、高模量、比重小、耐腐蝕、對(duì)人畜無(wú)害等優(yōu)異性能被視為許多材料的優(yōu)良增強(qiáng)體。將其加入到水泥基體中，制成碳纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料(cFILc)，不僅可改善水泥自身力學(xué)性能的缺陷，使其具有高強(qiáng)度、高模量、高韌性，更重要的是把普

2、通的水泥建筑材料變成了具有自感知內(nèi)部溫度、應(yīng)力和損傷及一系列電磁屏蔽性能的功能材料。本文介紹了碳纖維水泥基復(fù)合材料的制備方法、力電性能、應(yīng)用及其尺寸效應(yīng)的最新研究進(jìn)展，展望了其在功能材料方面的研究應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：碳纖維；水泥基；復(fù)合材料性能Abstract：Cementbasedconcretehasplayedallimptantroleinthehistyofhumanarchitectureduetoitsadvantagess

3、uchashighcompressionstrengtheasywkingHowever，itsshtcomingssuchassinglefunctionbrittleness，heavyweight，lowtensilestrengthlowflexuralstrengthhavelimiteditsuseinmanyspecialfieldsIntheexperiment，carbonfiberswereaddedintoceme

4、ntmatrix，resultingnotonlyinimprovedmechanicalpropertiesofcement，iehigherstrengthmodulustoughness，butmeimptantly，intheconversionofthiscommonbuildingmaterialintoafunctionalmaterialwhichiscapableofselfsensingtheinternaltemp

5、erature，stressdamageaswellashasEMIshieldingpropertiesKeywds：carbonfiber=cementmatrix；compositematerial；properties20世紀(jì)60年代以來(lái)，碳纖維作為新一代復(fù)合材料的補(bǔ)強(qiáng)纖維，以其高強(qiáng)度比、高模量比、密度、低x光吸收率、抗腐蝕、耐燒蝕、抗疲勞、耐熱沖擊、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能好、傳熱系數(shù)小、膨脹系數(shù)小和自潤(rùn)滑等優(yōu)異性能而在航天、航空、航海、

6、建筑、輕工等領(lǐng)域中獲得了廣泛的應(yīng)用。碳纖維是有機(jī)纖維在惰性氣氛中經(jīng)高溫碳化而成的纖維狀的碳化合物。它是由瀝青纖維、聚合物纖維或含碳?xì)怏w制成。將碳纖維加入到水泥基體中即制成碳纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料(CFRC)，也稱纖維增強(qiáng)混凝土。。20世紀(jì)70年代，英國(guó)首先用聚丙烯腈基(PAN)碳纖維研制碳纖維增強(qiáng)水泥基材料(CFRC)板材，使用于伊拉克AlShakeed紀(jì)念館，開(kāi)始了碳纖維增強(qiáng)混凝土研究與應(yīng)用的先例[3]。在水泥基體中摻入高強(qiáng)碳纖維是提

7、高水泥復(fù)合材料抗裂、抗?jié)B、抗剪強(qiáng)度和彈性模量，控制裂紋發(fā)展，提高耐強(qiáng)堿性，增強(qiáng)變形能力的重要措旌。此外，碳纖維還具有震動(dòng)阻尼特性，可吸收震動(dòng)波，使防地震能力和抗彎強(qiáng)度提高十幾倍。更為可貴的是，碳纖維具有導(dǎo)電性，將其加入到水泥基體中可賦于其智能性，極大地?cái)U(kuò)大了它的應(yīng)用范圍。CFRC復(fù)合材料在承受載荷時(shí)表面不產(chǎn)生龜裂，其抗拉強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度、斷裂韌性比不增強(qiáng)的高幾倍到十幾倍，其沖擊韌性也相當(dāng)可觀。短切碳纖維增強(qiáng)水泥所用碳纖維的長(zhǎng)度一般為3～6

8、mm，直徑為7～20um，抗拉強(qiáng)度范圍在05～08GPa。普通水泥的強(qiáng)度通常為1176MPa，若按重量摻入15％的碳纖維，其強(qiáng)度可達(dá)至245MPa；若摻入量為20％時(shí)，強(qiáng)度可高達(dá)5488Mpa[2]。此外，與普通混凝土相比，CFRC具有質(zhì)輕、強(qiáng)度高、流動(dòng)性好、擴(kuò)散性強(qiáng)、成型后表面質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)，將其用作隔墻時(shí)，重量比普通混凝土制作的隔墻薄l／2～1／3，重量減輕1／2～1／3。因此，CFRC性能的研究近年來(lái)發(fā)展迅猛。迄今為止，國(guó)際上已有多

9、幢高層建筑應(yīng)用了碳纖維增強(qiáng)混凝土板材，取得了好的效果。美、歐、日及亞洲其他國(guó)家包括我國(guó)臺(tái)灣地區(qū)和韓國(guó)等都積極研究、開(kāi)發(fā)生產(chǎn)碳纖維產(chǎn)品，其獨(dú)特的特性是其他材料(如陶瓷和一些有機(jī)聚合物纖維束等)無(wú)法比擬的。目前，碳纖維增強(qiáng)混凝土作為智能材料正倍受國(guó)內(nèi)外混凝土專家的研究與重視。1CFRC的性能特點(diǎn)及應(yīng)用“植入”混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)，可對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行溫度分布自診斷，根據(jù)診斷結(jié)果實(shí)現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)的溫度自適應(yīng)。當(dāng)CFRC與電源連通后，導(dǎo)電混凝土產(chǎn)生熱量，使

10、路面溫度升高，當(dāng)溫度升No℃以上后，路面上的冰雪就會(huì)自動(dòng)融化成水蒸發(fā)流走，從而保障道路暢通和行車安全，國(guó)外已將溫敏混凝土用于機(jī)場(chǎng)道路及橋梁路面的融雪和融冰中哺，9】。14屏蔽效應(yīng)‘屏蔽是電磁干擾防護(hù)控制的最基本方法之一，其目的一是控制內(nèi)部輻射區(qū)域的電磁場(chǎng)，不使其越出某一區(qū)域；二是防止外來(lái)的輻射進(jìn)入某一區(qū)域。當(dāng)外來(lái)電磁波遇到屏蔽材料時(shí)，就會(huì)被吸收、反射和多次反射，電磁波能量的繼續(xù)傳遞受到削弱。CFRC復(fù)合材料中可形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，從而可產(chǎn)生屏

11、蔽性能，碳纖維的添加量、長(zhǎng)度以及成型方法對(duì)CFRC的屏蔽性能均有較大的影響。材料的屏蔽效能SE達(dá)至]3060dB的中等屏蔽值時(shí)才認(rèn)為有效。性能良好的電磁屏蔽材料應(yīng)具有較高的電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率。碳纖維對(duì)電磁波有較強(qiáng)的反射性，利用此特性可將碳纖維復(fù)合材料用作薄壁結(jié)構(gòu)吸波材料的背襯。這種材料是雷達(dá)波的反射體，特別是在低頻下與金屬一樣反射電磁波‘1們。趙福辰等人通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)no，11]9增加CFRC復(fù)合材料中導(dǎo)電碳纖維的長(zhǎng)度和含量，可以明顯提高屏蔽

12、效果。.碳纖維水泥基材料導(dǎo)電性與壓敏性碳纖維混凝土是以水泥砂漿或普通混凝土為基材，在其中添加碳纖維等導(dǎo)電組分及其他外加劑，從而使混凝土成為具有一定機(jī)敏性和溫敏性的智能材料(C燈bonFiberReinfcedConcrete簡(jiǎn)稱CFRC)‘131989年美國(guó)紐約大學(xué)Bu腦lo分校的DDLChung‘2—31研究發(fā)現(xiàn)，將～定形狀、尺寸和摻量的短切碳纖維摻人混凝土材料中，可以使混凝土材料具有自感知內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變和損傷程度、壓敏性、溫敏性、電

13、磁屏蔽等功能M。J筆者通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比碳纖維混凝土試件在單向受壓狀態(tài)下及三向受壓狀態(tài)下，處于彈性范圍內(nèi)循環(huán)荷載作用下的壓敏性的異同，為今后將這種碳纖維混凝土試塊應(yīng)用于實(shí)際工程提供理論依據(jù)，彌補(bǔ)目前道路測(cè)重系統(tǒng)中所存在的測(cè)量設(shè)備與混凝土的兼容困難等問(wèn)題1.ZengQiangShiDDL.ChungCarbonfiberreinfcedconcreteftrafficmonitingweighinginmotion[外文期刊]1999(29)2