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导电水泥复合材料接地模块的制备及性能研究

作　者: 史建华
导　师: 赵仁
学　校: 中北大学
专　业: 武器系统与运用工程
关键词: 导电水泥聚苯乙烯颗粒玄武岩纤维接地模块聚乙烯吡咯烷酮
分类号: TQ172.7
类　型: 博士论文
年　份: 2014年
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内容摘要

静电防护在炸药、武器弹药生产和使用中尤为重要，在军工生产领域的建筑设施内主要采用导电橡胶作为防静电的材料。军用导电橡胶生产本高，同时导电橡胶只有在受到一定压力时，导电颗粒相互接触，才具有良好的导电性。军工生产厂房的建筑多采用水泥材料，若能够使水泥具有一定的导电性，铺设在厂房地面、工作台面及一些非承载墙体，既可有效提高静电防护能力，又可大大降低建筑生产成本。制备接地效果明显、耐久性好、无污染、经济、轻便的导电水泥材料已成为科研工作者们共同关注的问题，针对这一问题，本论文通过理论研究、科学实验和数值分析相结合，研究了发泡石墨-水泥导电复合材料制备的原理、工艺和导电、发热机理，通过大量试验研究了影响导电水泥电学性能和物理性能的因素，得出了制备发泡石墨-水泥导电复合材料的方法及掺料的最佳比。由于石墨的加入会大大地降低水泥基体强度，因此，需要在加入石墨同时还需加入某种纤维进行强度增强。本文选用物理力学性能较好的玄武岩纤维材料，在水泥砂浆中均匀地掺入玄武岩纤维材料来提高复合水泥材料制品的抗拉强度抗裂强度和韧性。为了降低导电水泥的密度，本文选用了两种途径，一是在石墨-水泥中添加聚苯乙烯颗粒，二是采用物理发泡法和双氧水化学发泡法对石墨-水泥浆料进行发泡。因此，本文首先采用石墨作导电相，水泥作胶凝材料制备密实型石墨-水泥导电接地模块，考察了不同石墨含量的添加对复合材料力学性能和电学性能的影响；接着通过在石墨-水泥浆料中添加聚苯乙烯颗粒和玄武岩纤维来实现降低试件密度和增强试件强度，得到了聚苯乙烯颗粒和玄武岩纤维的最佳添加粒径和最佳添加量；然后采用物理发泡方法研究高性能、轻质量导电水泥接地材料的制备工艺；最后采用聚乙烯醇、十二烷基磺酸钠及聚乙烯吡咯烷酮作稳泡剂进行双氧水化学发泡来制备轻质量的导电水泥接地模块，并对它们的电阻率、抗压强度、抗折强度及干密度作了进一步比较。主要结果和结论如下：1研究了不同石墨含量的添加对水泥基复合材料电阻率、抗压强度、抗折强度及干密度的影响。结果表明：1)掺入石墨的导电水泥，导电性与石墨掺量有关，石墨掺量越大，导电性越好，但石墨掺量过大反而会严重影响材料的强度。为了保证导电水泥的强度，石墨掺量不能过大。2)当石墨掺量加大时，密实型石墨-水泥导电复合材料的电阻率和干密度虽有显著降低，但同时也导致材料抗压强度和抗折强度的降低。当石墨含量为50%时制备的导电水泥接地材料具有较好的力学性能和电学性能。2固定石墨掺量为50%，考察聚苯乙烯颗粒和玄武岩纤维的添加对导电水泥力学性能和电学性能的影响。结果表明，当石墨掺量为50%时，以掺入1~2mm聚苯乙烯颗粒和2.5%玄武岩纤维的导电水泥的物理性能最佳。3采用物理发泡法制备的石墨-水泥导电接地试样，硬化凝结时间较长，内部结构表现为：孔径小、大小均匀、球形度高、强度高、泡孔间连通率低。4采用双氧水化学发泡法制备的石墨-水泥导电接地复合材料的电阻率、抗压强度、抗折强度及干密度均随掺入聚合物品种不同而差异较大。其中，在石墨掺量为50%的条件下，当采用聚乙烯吡咯烷酮作稳泡剂配制而成的发泡剂发泡时形成的气孔细小，呈球型封闭且孔径分布均匀，可减小应力集中，提高材料的力学性能。相同试验条件下，采用聚乙烯醇和十二烷基磺酸钠制备而成的石墨-水泥导电接地复合材料，发泡后浆料凝结时间与气泡稳定时间不同步，导致气泡长大后破裂，降低了材料的力学性能和电学性能。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-10
目录  10-14
1 绪论  14-43
  1.1 本课题研究背景  14-15
  1.2 国内外导电水泥研究现状  15-19
    1.2.1 石墨基导电水泥  15-16
    1.2.2 钢纤维导电水泥  16
    1.2.3 钢渣 (屑) 导电水泥  16-17
    1.2.4 碳纤维导电水泥  17-18
    1.2.5 炭黑、碳质骨料导电水泥  18
    1.2.6 离子型导电水泥  18
    1.2.7 其他导电水泥  18-19
    1.2.8 复相导电水泥  19
  1.3 轻质导电发泡水泥复合材料制备方法研究  19-41
    1.3.1 物理方法  19-20
    1.3.2 发泡方法  20-37
    1.3.3 影响发泡水泥强度的因素  37-39
    1.3.4 发泡水泥强度提高的途径  39
    1.3.5 发泡水泥的制造  39-40
    1.3.6 发泡水泥的泡孔结构与性能之间的关系  40-41
  1.4 选题依据及主要研究内容  41-43
2 理论基础研究  43-56
  2.1 硅酸盐水泥的性质  43-45
    2.1.1 硅酸盐水泥组成成分及性质  43-44
    2.1.2 硅酸盐水泥水化产物  44-45
  2.2 石墨性质  45-47
    2.2.1 石墨的晶体结构  45-46
    2.2.2 石墨性质  46-47
  2.3 玄武岩纤维的性质  47-48
  2.4 导电机理  48-49
  2.5 发热机理  49-54
    2.5.1 热力学第一定律和能量方程  49-53
    2.5.2 基本边界条件  53-54
  2.6 模式识别  54-56
    2.6.1 数据预处理  54-55
    2.6.2 原理方法  55-56
3 用于接地模块的导电水泥复合材料制备及性能研究  56-66
  3.1 引言  56
  3.2 试剂与仪器  56-57
    3.2.1 石墨-水泥导电材料制备所使用的主要原料和试剂  56-57
    3.2.2 石墨-水泥导电材料制备所用的主要仪器及装置  57
  3.3 试件制作要求与步骤  57-58
    3.3.1 试件制作要求  57-58
    3.3.2 试件制作步骤  58
  3.4 试验方法  58-60
    3.4.1 电阻率测试  58
    3.4.2 干密度测定  58-59
    3.4.3 抗压强度测定  59
    3.4.4 抗折强度测定  59-60
  3.5 配合比设计  60-61
  3.6 结果与讨论  61-65
    3.6.1 石墨含量对石墨-水泥导电接地模块导电性能的影响  61-62
    3.6.2 石墨含量对石墨-水泥导电接地模块力学性能的影响  62-63
    3.6.3 石墨含量对石墨-水泥导电接地模块干密度的影响  63
    3.6.4 养护龄期对石墨-水泥导电接地模块电阻率和强度的影响  63-65
  3.7 本章小结  65-66
4 聚苯乙烯颗粒和玄武岩纤维的添加对导电接地水泥模块性能的影响  66-74
  4.1 引言  66
  4.2 试验  66-67
    4.2.1 原材料  66
    4.2.2 试件制备  66-67
  4.3 结果与讨论  67-73
    4.3.1 水泥基导电模块的电阻率  67-71
    4.3.2 水泥基导电模块的力学性能  71-73
    4.3.3 水泥基导电材料的干密度  73
  4.4 本章小结  73-74
5 物理发泡法制备石墨-水泥接地复合材料  74-80
  5.1 引言  74
  5.2 实验  74-75
    5.2.1 实验原料及其作用  74-75
    5.2.2 工艺步骤  75
  5.3 结果与讨论  75-79
    5.3.1 试样配比及结果  75-76
    5.3.2 发泡剂掺量的确定  76-78
    5.3.3 减水剂对发泡水泥抗压强度的影响  78
    5.3.4 粉煤灰对发泡水泥抗压强度的影响  78-79
  5.4 本章小结  79-80
6 化学发泡法制备石墨-水泥导电接地复合材料  80-95
  6.1 引言  80-81
  6.2 试验  81-82
  6.3 结果与分析  82-89
    6.3.1 水温对发泡水泥力学性能的影响  82
    6.3.2 水料比对力学性能的影响  82-85
    6.3.3 双氧水用量对发泡水泥强度和干密度的影响  85-86
    6.3.4 稳泡剂对发泡水泥干密度的影响  86
    6.3.5 稳泡剂对发泡水泥抗压和抗折强度的影响  86-87
    6.3.6 稳泡剂掺量对导电发泡水泥电阻率的影响  87-88
    6.3.7 稳泡剂对发泡水泥结构的影响  88-89
  6.4 数值分析  89-94
    6.4.1 力学性能  90-92
    6.4.2 导电性能  92-93
    6.4.3 干密度  93
    6.4.4 样本验证  93-94
  6.5 本章小结  94-95
7 结论  95-98
  7.1 工作总结  95-96
  7.2 论文的创新性  96
  7.3 后续工作设想  96-98
参考文献  98-109
攻读博士期间发表的论文及所取得的研究成果  109-110
致谢  110-111

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