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内掺CCCW的水泥基机敏材料电学性能研究

董旭  
【摘要】: 内掺碳纤维、石墨等导电相的水泥基机敏材料除了具有优越的力学性能外,还具有良好的电学性能,在结构健康监测、交通监测、电磁屏蔽等方面有着广泛的应用前景。 本研究采用两电极法和四电极法测试材料的体积电阻,Instron5882万能材料试验机测试材料的力学性能和进行试块的压阻试验加载。采用Keithley 2700数据自动分析系统记录电压,直流电流由Keithley 2400恒流源提供,并用JSM-5610LV扫描电镜分析材料的微观结构。通过掺入含活性化学物质CCCW材料(水泥基渗透结晶防水材料)及使用经过浓硝酸浸泡的短切碳纤维,有效提高了水泥基机敏材料电学性能的稳定性。主要研究内容及结论如下: (1)研究了不同碳纤维掺量水泥净浆试块的渗流现象及其在循环荷载下的压阻特性,分析了碳纤维掺量不同时水泥净浆试块的压阻性能差异产生的原因。结果表明:当适量地掺入碳纤维时,试块的电阻变化率和压应力存在较好的对应关系。碳纤维掺量为水泥质量的1.0%~1.2%时,试块具有较佳的压阻性能。 (2)研究了不同碳纤维掺量水泥砂浆试块的渗流现象及其在循环荷载下的压阻特性和材料的力学性能,分析了碳纤维含量对水泥砂浆试块的压阻性能和抗压强度的影响。结果表明:碳纤维掺量为加入水泥质量的3.0%~4.0%时,试块的压阻性能较好;碳纤维掺量为水泥质量的1.4%时,抗压强度达到最大值59.1MPa。 (3)研究了碳纤维-石墨水泥砂浆试块在循环荷载下的压阻特性及石墨含量对试块抗压强度的影响。结果表明:试块的电阻变化率和压应力也存在较好的对应关系。在碳纤维含量为所加水泥质量分数的1.0%,石墨掺量为20%~30%时,试块的压阻性能最好;掺与不掺KIM的碳纤维-石墨水泥砂浆试块的抗压强度均随石墨掺量的增加而降低,但是,在石墨掺量相同条件下,掺入KIM后试块的抗压强度有一定提高。 (4)掺加CCCW后可在一定程度上减弱试块的极化效应,有效提高测试试块的电阻稳定性;此外,对碳纤维表面进行氧化处理后,大大增强了其在水泥基体中的分散性,也有益于试块电学性能的稳定。 (5)对机敏材料渗流现象机理、极化现象机理进行了讨论,提出了渗流现象的有效介质模型,并对机敏材料的压阻机理进行了理论分析。


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