对碳纤维水泥基特性的分析

1 碳纤维的特点

我们常见的水泥基材料在干燥的条件下是一种惰性材料, 其抗拉强度低、电阻率高。而碳纤维则与之相反, 具有很高的抗拉强度, 高弹模而且导电性能良好。将碳纤维加入水泥基, 不仅可以改善水泥基的强度和韧性, 而且能很好的改善其物理性能。碳纤维水泥基材料所具有的导电特性成为人们热议的话题。分布于水泥基中的乱向分布、低掺量的不连续短切碳纤维并不是相互分离而孤立存在的。如果碳纤维产量有所增加, 那么就会逐步在水泥基材料中形成碳纤维集团族, 而在彼此之间形成连接的关系。根据渗流理论, 在分散体系中当分散相的浓度达到了临界点时, 原本抵触的分散相会形成无限渗流集团。所以, 含有碳纤维的水泥基, 如果碳纤维掺量达到或超过临界点, 全部团族会组成在一起从而形成渗流网络, 这样能够有效增强水泥基的导电性。因为含有碳纤维的水泥基材料电阻小, 具有良好的导电性, 所以可以用它来作为传感器, 通过电信号输出形式将自身的受力状况以及内部损失程度反映出来。能够对碳纤维水泥基符合材料的导电性产生影响的因素有三个, 分别是纤维长度、纤维含量以及基材的含水量。例如:碳纤维的长度数值越大, 越容易互相搭接, 而搭接的程度越大, 而碳纤维水泥基复合材料的电阻率越低, 导电性就越好。但是碳纤维过程分散时就会有难度, 而且碳纤维的脆性比较大, 横向受剪时非常容易折断。而且经过验证发现, 受荷过程中, 与纤维较短的水泥基复合材料相比, 纤维较长的复合材料电阻变化率比较低, 所以为了减少在制备工艺中碳纤维的折断率, 并有效提高符合材料的电导敏感性, 应该选择长度较短的碳纤维。

2 CRFC的压敏特性分析

在特定配比和工艺条件下制成的碳纤维水泥试块, 其电阻率会随着应力状态的变化而发生变化, 即具有压敏性。从20世纪90年代开始, 人们就已经开始了对碳纤维水泥基的研究, 通过使用碳纤维来增加水泥的压敏性。美国的Chuang教授和她的团队对混凝土在拉、压作业下体积电阻率的变化规律进行了深入的研究。实验证明材料内部的裂纹闭合与体积电阻率的变化有着非常大关系。所以可以利用这一特性来对碳纤维混凝土非破坏的自诊断、运动车辆的自重等进行检测。Chuang教授一组还研究了机敏混凝土的养护以及碳纤维表面处理等循环过程中出现的电阻变化的不可逆性等的影响。如图1所示, 上图所展示的是碳纤维水泥基符合材料的电阻率会随着时间的不同而发生变化, 下图则是压力随着时间的发展而发生的变化。试验中运用臭氧处理、硅烷处理等方法来提高纤维与水泥界面的粘结强度, 并据此来对增强压敏稳定性的方法进行讨论。Chuang教授及其小组还研究了在单向压缩作用下, 含有碳纤维的机敏混凝土的轴向与横向应变对相对应的电阻率有何变化。我国学者于1996年发现了受压的情况下试件电阻变化存在着平衡区、可逆感应区、剧增区。图2反映了材料既有缺陷裂纹的张开与合并, 及新生裂纹的产生与扩展。我们可以基于这种特性来检测混凝土大坝等工程的损坏与否。在此基础上, 又研究了在不同压力与不同加载方式下碳纤维水泥试块电阻的变化。以上实验表明:在大压力下, 循环加载直至破坏, 一些新裂纹产生及扩展发生在电阻变化反应材料, 即使卸载后电阻也不会恢复原值;而在小压力下, 循环加载、电阻变化、卸载能反映原有裂纹的张开与合并;在低压力下, 加载及卸载过程, 加入的载荷都是恒定的, 基本上电阻也不会发生变化, 保持内部结构相对稳定。碳纤维的含量、长径比等因素影响着试件压敏性, 也证明了只有在水泥中均匀的加入适当的掺量以及合适的长度的纤维, 加上被水泥隔开但间距又临近的情况下才能使得碳纤维水泥基拥有最好的压敏性。

3 结语

将适量的碳纤维加入到惰性的水泥基中, 可以使其具有良好的压敏性, 随着碳纤维产量的增加, 表观电阻率会减少。利用交流抗谱和渗流理论, 可以直接反映出含有碳纤维的水泥基复合材料内部的微观结构及其导电原理。据此可以及时了解存在与水泥基材料内部的问题, 以及时防止脆性破坏的发生。

摘要：信息技术和科技的发展, 也带动了材料向多元化方向发展。混凝土材料的智能化已经成为现实。智能化使混凝土材料具备了自感知、自适应、等特性, 自动调整特殊功能组分的种类和分量, 以满足人们不同的需求。碳纤维本身具有良好的导电性, 而通过调整碳纤维的掺量, 可以降低普通水泥基材料的电阻, 而使得碳纤维水泥基复合材料具有良好的导电性能。

关键词：碳纤维水泥基,导电性能,压敏特性

参考文献

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