水泥基梯度復(fù)合功能材料物理力學(xué)性能的研究.pdf

1、梯度功能材料(FGM)是近十多年來(lái)陶瓷、金屬材料領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。FGM，是指在材料設(shè)計(jì)制造過(guò)程中，使構(gòu)成材料的要素沿著厚度方向由一側(cè)到另一側(cè)呈梯度連續(xù)變化，內(nèi)部沒有明顯的界面，并使材料的性能與功能呈現(xiàn)連續(xù)梯度變化的一種新型材料，其優(yōu)越的性能，已在航天、能源、電子、化學(xué)和生物醫(yī)學(xué)等工程領(lǐng)域展示了誘人的應(yīng)用前景。 本文旨在通過(guò)不同性能、不同功能的組分的梯度復(fù)合，改善或提高水泥基材料的物理力學(xué)性能及其功能，其主要工作與創(chuàng)新性

2、研究有以下四個(gè)方面： 1、首次把FGM的概念引入到水泥基材料中，為水泥基材料的改性和用途的拓寬提供了一條新的途徑。利用組分梯度復(fù)合的方法，改善或解決了水泥基材料的界面薄弱、功能單一、抗拉強(qiáng)度低、韌性差等問題，在較小內(nèi)應(yīng)力下實(shí)現(xiàn)了同一材料(制品)上的復(fù)合功能。 2、建立了水泥基梯度復(fù)合功能材料四層次(連續(xù)相、分散相、漿體－骨料界面區(qū)和宏觀層狀結(jié)構(gòu)層間界面區(qū))結(jié)構(gòu)模型，為水泥基梯度材料的設(shè)計(jì)奠定了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。水泥基材料的多相

3、多層次性，決定其不可能像金屬、陶瓷材料那樣僅僅通過(guò)微觀層次的復(fù)合來(lái)解決其自身存在的所有問題，必須在不同結(jié)構(gòu)層次上分別考慮：通過(guò)具有不同性能連續(xù)相的梯度復(fù)合，改善或提高其抗拉強(qiáng)度和韌性；通過(guò)不同性能分散相的梯度復(fù)合，改善和提高其物理力學(xué)性能并使其具有復(fù)合功能；通過(guò)骨料-水泥漿界面組分梯度分布的改善，使界面弱區(qū)得到強(qiáng)化；通過(guò)層狀結(jié)構(gòu)層間界面組分的梯度分布，最大限度的緩和其界面應(yīng)力。 3、根據(jù)四層次結(jié)構(gòu)模型提出了適合于水泥基梯度

4、復(fù)合材料成型的工藝方法，設(shè)計(jì)加工了水泥基材料“梯度混練儀”，解決了水泥基FGM成型加工的難題。按照組分連續(xù)梯度變化的要求設(shè)計(jì)的由計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制下料的“梯度混練儀”，可以基本保證按材料設(shè)計(jì)要求做到組分連續(xù)梯度變化，還可以使不易分散均勻的纖維材料分散均勻。在沒有合適的成型設(shè)備的情況下采用組分階梯梯度變化、分層布料和機(jī)械振動(dòng)成型，亦可以基本得到設(shè)計(jì)要求的分布狀況與材料性能。 4、按照四層次結(jié)構(gòu)模型，分別在四個(gè)層次上進(jìn)行了組分梯度

5、分布的試驗(yàn)探索，得到了預(yù)期的材料性能。并探討了組分梯度分布對(duì)水泥基材料物理、力學(xué)性能和功能的改善機(jī)理，試驗(yàn)表明： (1)、連續(xù)相層次各組分的梯度分布明顯改善了水泥基材料的抗折強(qiáng)度和韌性。通過(guò)連續(xù)相組分(水泥石和聚合物)的梯度分布，在聚合物部分取代水泥并呈梯度分布時(shí)，可以在不犧牲抗壓強(qiáng)度的前提下，明顯提高水泥基材料的抗折強(qiáng)度和韌性。其中兩組分梯度分布比其均勻分布的抗折、抗壓強(qiáng)度分別提高20％和10％以上；兩組分梯度分布與水

6、泥凈漿相比，抗壓強(qiáng)度雖沒有明顯提高，但抗折強(qiáng)度提高78％，最大荷載點(diǎn)的塑性變形提高數(shù)倍。結(jié)構(gòu)與力學(xué)分析表明，其原因在于：在受壓過(guò)程，富水泥石側(cè)承受較大的荷載，富聚合物側(cè)則既具有阻止裂紋擴(kuò)展的作用，又有維持水泥石“壓桿”穩(wěn)定的作用，最終使結(jié)構(gòu)呈壓桿滑移失效方式破壞而產(chǎn)生較大的塑性變形、提高強(qiáng)度和韌性；在受彎過(guò)程，彎曲受拉側(cè)聚合物和水泥石的兩套網(wǎng)絡(luò)有很好的抗拉能力，彎曲受壓側(cè)水泥石有很好的抗壓能力，由此而提高了材料的抗折強(qiáng)度和韌

7、性。 (2)、骨料表面粗糙區(qū)內(nèi)漿體和骨料組分的梯度分布使界面弱區(qū)顯著強(qiáng)化。首次采用化學(xué)的辦法對(duì)骨料進(jìn)行預(yù)處理，通過(guò)對(duì)骨料的化學(xué)預(yù)處理，改善了水泥漿－骨料過(guò)渡區(qū)組分的梯度分布，使界面弱區(qū)得到了強(qiáng)化而提高了水泥基材料的宏觀力學(xué)性能，使抗壓、抗折強(qiáng)度分別提高30％以上?？梢哉J(rèn)為，由于骨料表面的粗糙化、活性化和潔凈化而吸收了普通界面的早期水膜，改善了普通界面區(qū)晶粒粗大、擇優(yōu)取向、Ca/Si比高、孔隙率高的缺陷，在骨料表面粗糙區(qū)內(nèi)形

8、成了骨料與水泥漿的梯度復(fù)合并產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，使界面區(qū)形成較強(qiáng)結(jié)合。研究表明，骨料表面的酸預(yù)處理可以使其表面特性向有利方向發(fā)展，而堿處理則向不利方向發(fā)展。酸處理表面改性程度與酸的種類和處理時(shí)間有關(guān)。 (3)、不同性能和功能的分散相的梯度分布，使水泥基梯度材料在具有復(fù)合功能的前提下不同性能和功能得到明顯改善。其中： ①高強(qiáng)、活性骨料相的梯度分布與其均勻分布相比，抗壓、抗折強(qiáng)度和彈性模量均有明顯改善，其中抗折強(qiáng)度提高30％以上

9、，由于受力方式更符合并聯(lián)混合律； ②纖維增強(qiáng)相的梯度分布，可以在較少纖維用量下達(dá)到設(shè)計(jì)要求的增強(qiáng)效果，其原因主要為纖維的分布與應(yīng)力分布相一致而有效發(fā)揮作用； ③采用普通骨料和具有保溫功能的陶粒的梯度分布則可在保證其相應(yīng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的情況下使結(jié)構(gòu)具有良好的保溫性能，與兩相均勻分布相比，梯度分布可使導(dǎo)熱系數(shù)由0.3以上降至0.2，實(shí)現(xiàn)了同一材料(制品)上的復(fù)合功能，分析表明，其改性機(jī)理是其受力方式更符合并聯(lián)混合律，熱傳導(dǎo)方式更

10、符合串聯(lián)混合律——即低導(dǎo)熱相的相對(duì)集中阻斷了熱傳導(dǎo)通路； ④碳纖維的梯度分布，可在較少碳纖維用量下使混凝土具有導(dǎo)電發(fā)熱功能，并改善了內(nèi)部溫度和溫度應(yīng)力分布，有效的緩解了溫度應(yīng)力集中現(xiàn)象，其改性原因?yàn)椴话l(fā)熱區(qū)碳纖維的存在，改變了導(dǎo)熱機(jī)制，即由單純的聲子導(dǎo)熱變?yōu)殡娮?、聲子?fù)合導(dǎo)熱，快速的熱傳導(dǎo)縮小了內(nèi)部的溫度差；同時(shí)，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，碳纖維在一定的含量下，通電后可快速發(fā)熱，并隨著溫度的升高，發(fā)熱升溫速度下降(電阻增大)，最終達(dá)到了

11、一個(gè)發(fā)熱和散熱的平衡而使結(jié)構(gòu)溫度恒定，為在智能建筑和其他方面的使用提供了可能。 實(shí)驗(yàn)表明，不同的性能或功能要求不同的組分梯度分布函數(shù)。 (4)、層狀結(jié)構(gòu)層間組分的梯度分布，使界面區(qū)殘余應(yīng)力明顯緩和。層間組分梯度分布明顯提高了層狀結(jié)構(gòu)的抗劈拉強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度，力學(xué)分析表明，層間組分的梯度分布大大降低了各層間的溫、濕膨脹系數(shù)的不適配性，緩和了界面區(qū)殘余應(yīng)力，從而有效地改善了層狀結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為。 5、本文對(duì)水泥基梯度復(fù)合材料