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碳纳米管（CNTs）水泥砂浆复合材料实验研究

作　者: 吴辰
导　师: 李鹏辉
学　校: 清华大学
专　业: 水利工程
关键词: 碳纳米管（CNTs）水泥砂浆抗压强度孔隙分析显微观测
分类号: TU578.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

碳纳米管（CNTs）作为一种新型纳米纤维材料，以其优异的力学、电学性能，是现在材料研究领域的一个热点。学者研究发现，在金属、陶瓷中掺加一定比例的碳纳米管，能够有效增加基体材料的韧性。水泥作为与陶瓷性能类似的脆性材料，在水泥基体中掺加一定量的CNTs，对于改善基体的固有脆性会发挥良好的效果。本文主要研究CNTs水泥砂浆复合材料的实验室制备方法，包括CNTs在水溶液中的分散性能、CNTs水泥砂浆的浇注工艺以及CNTs水泥砂浆的配合比。在此基础上，对分别添加普通CNTs、带有官能团（-COOH/-OH）的CNTs、附着SiO₂的CNTs的水泥砂浆试件进行了实验研究，并且研究了不同掺量的CNTs对于实验结果的影响。实验采用了抗压强度和抗折强度用来评估试件的力学性能；压汞实验和扫描电镜来评估试件的微观结构。结果表明，添加普通CNTs的试件力学性能下降了70%。CNTs掺量的变化对于试件的影响不大，CNTs自身直径的变化（10-20nm⁴0-60nm）对于试件性能的略有影响，直径较大的CNTs试件力学性能提高了5%。试件整体孔隙率上升了100%，平均孔径大幅上升，电镜照片显示在水泥基体中存在大量孔隙，主要是因为分散剂SDS的加入带来了大量气泡影响了实验结果；带有官能团（-COOH/-OH）CNTs的试件的力学性能提升了15%，含有羧基（-COOH）CNTs的试件的平均强度要比含有羟基（-OH）CNTs的试件更高。整体孔隙率基本不变，但平均孔径下降了30%，电镜照片显示CNTs在水泥基体中起到了桥连微裂缝，填充微孔隙的作用；添加附着SiO₂的CNTs的试件力学性能略有上升，电镜照片显示纳米SiO₂薄膜成功地附着在CNTs表面，平均厚度为50nm，CNTs在水泥基体中形成网状连接水泥的水化产物。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-9
第1章绪论  9-19
  1.1 研究背景和意义  9
  1.2 纤维在水泥中的应用  9-11
  1.3 纳米粉体在水泥中的应用  11-12
  1.4 碳纳米管（CNTs）简介  12-15
    1.4.1 碳纳米管（CNTs）的发现  12-13
    1.4.2 碳纳米管（CNTs）的制备工艺  13
    1.4.3 碳纳米管（CNTs）的力学性能  13-14
    1.4.4 碳纳米管（CNTs）的分散问题  14-15
  1.5 CNTs 在水泥中的应用  15-17
  1.6 本文的研究内容  17-19
第2章实验设计  19-32
  2.1 引言  19
  2.2 实验材料  19-21
    2.2.1 碳纳米管（CNTs）  19-20
    2.2.2 其他原材料  20-21
  2.3 CNTs 的分散  21-23
  2.4 CNT 的掺量和试件的配合比  23-25
    2.4.1 国内外学者的实验方案  23-25
    2.4.2 本文的实验方案  25
  2.5 试件的制备  25-28
    2.5.1 制备工艺  25-26
    2.5.2 本文的制备流程  26-28
  2.6 性能的检验  28-31
    2.6.1 流动度  28
    2.6.2 力学性能  28-29
    2.6.3 孔隙分析  29-30
    2.6.4 SEM 电镜观测  30-31
  2.7 本章小结  31-32
第3章普通 CNTs 水泥砂浆复合材料的实验研究  32-47
  3.1 CNT1020 组的实验结果  32-37
    3.1.1 力学性能及讨论  32-34
    3.1.2 孔隙分布及讨论  34-36
    3.1.3 SEM 下的微观结构  36-37
  3.2 CNT4060 组的实验结果  37-43
    3.2.1 力学性能及讨论  37-39
    3.2.2 孔隙分布及讨论  39-41
    3.2.3 SEM 下的微观结构  41-43
  3.3 本章小结  43-47
    3.3.1 力学性能小结  43-45
    3.3.2 孔隙分布小结  45-46
    3.3.3 SEM 下的微观结构小结  46-47
第4章带官能团的 CNTs 水泥砂浆复合材料的实验研究  47-63
  4.1 CNT-COOH 组的实验结果  47-53
    4.1.1 力学性能及讨论  47-49
    4.1.2 孔隙分布及讨论  49-52
    4.1.3 SEM 下的微观结构  52-53
  4.2 CNTOH 组的实验结果  53-58
    4.2.1 力学性能及讨论  53-54
    4.2.2 孔隙分布及讨论  54-57
    4.2.3 SEM 下的微观结构  57-58
  4.3 本章小结  58-63
    4.3.1 力学性能小结  58-60
    4.3.2 孔隙分布小结  60-62
    4.3.3 SEM 下的微观结构小结  62
    4.3.4 流动度小结  62-63
第5章附着纳米 SiO2的 CNTs 水泥砂浆复合材料的实验研究  63-69
  5.1 引言  63
  5.2 附着工艺  63-67
    5.2.1 实验材料  63-64
    5.2.2 制备流程  64
    5.2.3 TEM 下的结果  64-67
  5.3 实验结果  67-68
    5.3.1 力学性能及讨论  67
    5.3.2 SEM 观测  67-68
  5.4 本章小结  68-69
第6章结论与展望  69-71
  6.1 结论  69
  6.2 展望  69-71
参考文献  71-74
致谢  74-76
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  76

碳纳米管（CNTs）水泥砂浆复合材料实验研究

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