多尺度碳基水泥复合材料的导电、压敏及电热性能研究

摘要

水泥基材料添加导电相，可显著改善其导电性能，并可使材料具备诸如：压敏、电热、电磁屏蔽等多功能。本文采用碳纤维、碳黑、碳纳米管三种多尺度碳基材料作为导电相，制备混掺碳基导电水泥复合材料，围绕着复合材料的导电性能、压敏性能以及电热性能方面展开系统研究。主要内容如下：
　　研究了多尺度碳基水泥复合材料的导电性能。通过单掺碳纤维、碳黑、碳纳米管水泥复合材料的导电渗流曲线确定各自的渗滤区间，以此为基础进行三者混掺配比优化，制备了不同电阻率范围的混掺试件，并得到了具有优异导电性能的混掺配方。进而结合SEM微观分析和EDX分析，探讨了三种多尺度碳基材料的导电网络结构形成的机制。研究结果表明：三者混掺时水泥复合材料的电阻率均显著小于它们各自单掺时的电阻率，导电性能改善明显；三种碳基材料的多尺度效应，使得水泥基体内形成了丰富完善的导电网络结构。
　　研究了多尺度碳基水泥复合材料的压敏性能。通过单调加载和循环加载，对七种不同混掺配比试件的压敏性能进行了试验，进而选取一种压敏性能较好的试件，探讨了两个主要环境因素—温度和湿度对其压敏性能的影响，并进一步研究了加载频率对压敏效应的影响。研究结果表明：F02T15B1和F03T15B2混掺配比试件的压敏性能表现较好，F02T15B1电阻变化率达到9.5％，灵敏系数在42左右；随着温度的升高，电阻变化率先逐渐增大再减小；随着湿度的增大，电阻变化率逐渐减小；电阻变化率随加载频率的增大而逐渐减小，且其传感性能也在逐渐丧失，复合材料所能感知的最大加载频率为0.5Hz。
　　研究了多尺度碳基水泥复合材料的电热性能。采用热电偶测试了各试件在室温下电致热过程的升温曲线，进而在低温环境下，借助红外摄像机，实际测试了试件的化冰性能。研究结果表明：各试件在室温20V下通电30分钟，均有较大幅度温升，试件发热性能良好，电压增大为30V，试件发热性能增强；低温与室温相比，相同电压下，各试件温升均大幅度降低；试件F03T15B3化冰显著，低温20V下，化冰效率为863J/g，电能有效利用率约为41.4%，电压加大至30V，化冰量显著增加，化冰效率提升27.2%，电能有效利用率提高了15.4%，可见电压的提高能够显著提升碳基水泥复合材料的化冰效率。

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第1章 绪 论

1.1 课题来源

1.2 课题研究背景和意义

1.3 国内外研究现状及分析

1.4 本课题主要研究内容

第2章 多尺度碳基水泥的导电性能研究

2.1 引言

2.2 原材料与试验设备

2.3 试件制备与成型工艺

2.4 电阻测试方法

2.5 单掺碳基材料的导电性能

2.6 混掺碳基材料的导电性能

2.7 混掺试件的SEM微观分析

2.8 本章小结

第3章 多尺度碳基水泥的压敏性能研究

3.1 引言

3.2 压敏机理

3.3 试验过程

3.4 单调加载下的压敏性能

3.5 循环加载下的压敏性能

3.6 不同温度下的压敏性能

3.7 不同湿度下的压敏性能

3.8 不同加载频率下的压敏性能

3.9本章小结

第4章 多尺度碳基水泥的电热性能研究

4.1 引言

4.2 试件制备

4.3 室温下混掺碳基水泥板的温升试验

4.4 冰箱内化冰试验

4.5 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表论文

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