碳纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的制備及其性能研究

孫杰，魏樹梅

（內(nèi)蒙古建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010050）

0 引言

水泥是一種絕緣材料，可以通過與其它材料共混使其具有一定導(dǎo)電性能[1]。碳纖維具有高強(qiáng)度、高模量、耐高溫、耐腐蝕、抗疲勞、抗蠕變、質(zhì)量輕和導(dǎo)電性好等特點(diǎn)，在水泥基體中添加短切碳纖維可以制備出碳纖維增強(qiáng)水泥基（CFRC）復(fù)合材料[2]。適量碳纖維摻到水泥基體中，不僅可以提高CFRC復(fù)合材料的拉伸塑性、粘結(jié)強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和韌性，而且能夠減小CFRC的干燥收縮，從而實(shí)現(xiàn)在較大范圍內(nèi)調(diào)整CFRC的電阻率。其具有包括壓敏性、熱電效應(yīng)、焦耳效應(yīng)、比熱容高、導(dǎo)熱系數(shù)低、導(dǎo)電性好、耐蝕性好、熱電性能和耐高溫等優(yōu)異性能[2-7]。有研究表明[8-12]，隨著碳纖維摻量增加，材料的導(dǎo)電性能有所提高，但碳纖維摻量過高時(shí)，空隙率較大，會(huì)影響CFRC復(fù)合材料的力學(xué)性能。

本實(shí)驗(yàn)采用兩步法制備了碳纖維分散均勻的CFRC復(fù)合材料。利用掃描電鏡、電阻測(cè)試儀和電子萬能試驗(yàn)機(jī)研究了碳纖維摻量、長(zhǎng)度和成型工藝對(duì)CFRC復(fù)合材料力學(xué)性能和電學(xué)性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料

聚丙烯腈基短切碳纖維：上海和伍復(fù)合材料科技有限公司，長(zhǎng)度分別為4、7、10 mm，主要性能指標(biāo)見表1。水泥：冀東水泥有限公司的P·C32.5水泥，符合GB 175—2007要求。分散劑：山東雨田化工有限公司生產(chǎn)的羥乙基纖維素，黏度為30 Pa·s。硅粉：300目，純度 99.7%，粒徑 0.01～0.1 μm，洛陽匯矽微硅粉有限公司。萘磺酸鹽減水劑：鄭州聚力化工產(chǎn)品有限公司，灰色粉狀物，減水率為15%～25%。標(biāo)準(zhǔn)砂：廈門艾思?xì)W標(biāo)準(zhǔn)砂有限公司生產(chǎn)的ISO標(biāo)準(zhǔn)砂。消泡劑：佛山市南海大田化學(xué)有限公司生產(chǎn)的液體磷酸三丁酯。

表1 短切碳纖維的主要性能指標(biāo)

1.2 CFRC樣品的制備

本實(shí)驗(yàn)水灰比為0.3～0.5，碳纖維摻量按占水泥質(zhì)量計(jì)，分散劑和硅粉摻量分別為水泥質(zhì)量的0.6%、5%。

為了使碳纖維在水泥基體中實(shí)現(xiàn)連續(xù)良好的分散，本實(shí)驗(yàn)加入超細(xì)顆粒尺寸的硅粉，其粒徑遠(yuǎn)小于碳纖維的直徑，在復(fù)合材料體系中起到填充作用，有效促進(jìn)了碳纖維在復(fù)合體系中均勻的分布。另一方面，加入分散劑羥乙基纖維素提高了液相的密度和黏度，降低了碳纖維團(tuán)聚的趨勢(shì)。同時(shí)，它附著在碳纖維表面形成一層溶水膜，增加了碳纖維的潤(rùn)濕性，阻止碳纖維發(fā)生纏繞和團(tuán)聚，保證了碳纖維分散成單絲。采用兩步法分散碳纖維：第一步是把碳纖維分散到水溶液中，并在水溶液中加入分散劑；第二步是把第一步溶液倒入固體混合物（硅粉、水泥、標(biāo)準(zhǔn)砂、萘磺酸鹽減水劑以及其它添加劑）中，攪拌速度快慢交替?？芍频梅稚⑿粤己玫腃FRC復(fù)合材料。

成型160 mm×40 mm×40 mm 和 40 mm×40 mm×40 mm 的試樣，分別進(jìn)行彎曲強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度測(cè)試。然后在40 mm×40 mm×40 mm試樣兩端嵌入薄銅片（50 mm×10 mm）作為電極，將樣品在21℃、相對(duì)濕度≥96%條件下養(yǎng)護(hù)24 h脫模，然后再養(yǎng)護(hù)至28 d，進(jìn)行電學(xué)性能測(cè)試。振動(dòng)壓實(shí)樣品采用河北晟興儀器設(shè)備有限公司的ZY-6型振動(dòng)壓實(shí)成型機(jī)進(jìn)行制備，靜壓力設(shè)定為1500 N，激振力設(shè)定為4000 N，振動(dòng)頻率設(shè)定為25 Hz。

1.3 性能測(cè)試方法

抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度：按照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO法）》進(jìn)行測(cè)試；用型號(hào)為AT515精密直流電阻測(cè)試儀直接連接樣品兩端的電極進(jìn)行測(cè)試，測(cè)得電阻，計(jì)算電阻率；利用日立S4800掃描電子顯微鏡觀察CFRC樣品斷裂面的微觀結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)果與討論

2.1 CFRC復(fù)合材料內(nèi)碳纖維分散均勻性分析

碳纖維長(zhǎng)度為10 mm、摻量為0.6%的CFRC復(fù)合材料斷裂面微觀形貌如圖1所示。

圖1 CFRC復(fù)合材料斷裂面的微觀形貌

由圖1可以看出，碳纖維均勻地分散在水泥基體中，且呈單絲嵌入狀態(tài)，沒有產(chǎn)生團(tuán)簇或纏繞，而是彼此接觸，形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，從而提高復(fù)合材料的力學(xué)和電學(xué)性能。

2.2 CFRC復(fù)合材料的力學(xué)性能

碳纖維長(zhǎng)度為10 mm時(shí)，碳纖維摻量對(duì)CFRC復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度的影響分別見表2、表3。

表2 碳纖維摻量對(duì)CFRC復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度的影響

表3 碳纖維摻量對(duì)CFRC復(fù)合材料抗壓強(qiáng)度的影響

由表2可以看出，隨著碳纖維摻量的增加，CFRC復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度呈線性提高。這是因?yàn)樘祭w維具有增強(qiáng)和增韌的作用，可以阻止微裂紋的形成和擴(kuò)展。

由表3可以看出，隨碳纖維摻量的增加，CFRC復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度先提高后降低，抗壓強(qiáng)度最大提高了22.6%。這是因?yàn)楫?dāng)碳纖維摻量低于0.6%時(shí)，其增強(qiáng)作用使得抗壓強(qiáng)度提高；而當(dāng)摻量過高時(shí)，碳纖維在水泥基體中很難均勻分散，發(fā)生團(tuán)聚，使得抗壓強(qiáng)度降低。同時(shí)，碳纖維摻量過高，攪拌時(shí)間延長(zhǎng)，會(huì)在基體中產(chǎn)生更多的氣泡，也會(huì)導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度降低。

2.3 碳纖維長(zhǎng)度和摻量對(duì)CFRC復(fù)合材料導(dǎo)電性的影響（見圖1）

圖1 碳纖維摻量和長(zhǎng)度對(duì)CFRC復(fù)合材料電阻率的影響

由圖1可見，當(dāng)碳纖維摻量在0～0.2%時(shí)，復(fù)合材料的電阻率急劇下降，與未摻碳纖維的相比，碳纖維摻量為0.2%時(shí)，摻4、7、10 mm碳纖維的分別下降了27.2%、33.0%、44.7%。當(dāng)碳纖維摻量在0.2%～0.3%時(shí)，復(fù)合材料的電阻率下降緩慢，對(duì)7 mm長(zhǎng)度的碳纖維來說電阻率變化不明顯。當(dāng)碳纖維摻量在0.3%～0.6%時(shí)，電阻率隨著碳纖維摻量的增加又急劇下降，與碳纖維摻量為0.4%的相比，碳纖維摻量為0.6%時(shí)，摻4、7、10 mm碳纖維的分別下降了88.1%、83.9%、79.6%。當(dāng)碳纖維摻量超過0.6%以后，碳纖維摻量和長(zhǎng)度對(duì)復(fù)合材料的電阻率影響不大。說明當(dāng)碳纖維摻量未超過0.6%時(shí)，隨碳纖維摻量的增加，復(fù)合材料電阻率呈下降趨勢(shì)。同時(shí)，碳纖維長(zhǎng)度越長(zhǎng)，電阻率降低幅度越大，與摻4 mm碳纖維的相比，碳纖維摻量為0.4%時(shí)，摻7、10 mm碳纖維的分別下降了34.4%、56.3%。

CFRC材料的電導(dǎo)率主要依靠隧道效應(yīng)，它形成于水泥基體中無序分散、相互疊加的碳纖維之間和水泥薄片層隔開的相鄰碳纖維間[13-14]。在CFRC復(fù)合材料中，存在大量相互連接的毛細(xì)管通道，其中含有孔隙水。當(dāng)碳纖維含量比較低時(shí)，主要靠2種方式實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電：一種是離子在水泥基體中的內(nèi)部孔隙水中自由移動(dòng)，另一種是載流子通過隧道效應(yīng)在導(dǎo)電碳纖維中移動(dòng)。完成這一過程需要一定的時(shí)間，因此出現(xiàn)了電阻率緩慢下降的階段。

通過本實(shí)驗(yàn)還可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)碳纖維摻量相同時(shí)，10 mm長(zhǎng)的碳纖維電阻率比4 mm和7 mm長(zhǎng)度碳纖維要小。在碳纖維摻量較低時(shí)，纖維長(zhǎng)度給電阻率帶來的影響更為明顯。當(dāng)碳纖維摻量超過0.6%后，纖維長(zhǎng)度給電阻率帶來的影響逐漸減少。因?yàn)閷?dǎo)電網(wǎng)絡(luò)完全形成，很難再依靠增加碳纖維的摻量使電阻率明顯下降，電阻率趨于一個(gè)極限。碳纖維長(zhǎng)度對(duì)CFRC導(dǎo)電性的影響主要取決于碳纖維在復(fù)合材料中的重疊程度。碳纖維越長(zhǎng)，越容易形成疊加的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，沿著網(wǎng)絡(luò)的導(dǎo)電性越好，所以電阻率越小。

2.4 成型工藝對(duì)CFRC復(fù)合材料電阻率的影響

碳纖維長(zhǎng)度為10 mm，摻量分別為0.2%、0.4%時(shí)，成型工藝對(duì)CFRC復(fù)合材料電阻率的影響見表4。

表4 成型工藝對(duì)CFRC復(fù)合材料電阻率的影響

從表4可以看出：碳纖維摻量為0.2%時(shí)，采用振動(dòng)壓實(shí)法比采用振動(dòng)法制備的CFRC復(fù)合材料平均電阻率降低66.7%。碳纖維摻量0.4%時(shí)，采用振動(dòng)壓實(shí)法比采用振動(dòng)法制備的復(fù)合材料平均電阻率降低了59.8%。致密化過程同樣會(huì)影響CFRC樣品的電阻率。當(dāng)加入一定量的碳纖維，采用振動(dòng)壓實(shí)法制備的復(fù)合材料與采用振動(dòng)法制備的復(fù)合材料相比，前者的電阻率小很多。在振動(dòng)壓實(shí)過程中，施加壓力把混合物中的水排出，形成的硬化水泥漿料更加致密。碳纖維的距離縮短、疊加程度增加、孔隙率降低，因此電導(dǎo)率高，電阻率低。在壓力作用下，碳纖維和水泥漿料之間的接觸也能夠使電阻降低。另外，碳纖維之間的距離縮短會(huì)改變水泥漿體中的游離離子和碳纖維電子的導(dǎo)電模式。因此，大大提高了CFRC的電導(dǎo)率。

3 結(jié)論

（1）微觀分析結(jié)果表明，采用二步法，碳纖維可均勻地分散在水泥基體中，且呈單絲嵌入狀態(tài)，并彼此接觸形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，從而提高CFRC復(fù)合材料的力學(xué)性能和電學(xué)性能。

（2）隨著碳纖維摻量的增加，CFRC復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度呈線性提高，而抗壓強(qiáng)度先提高后降低，抗壓強(qiáng)度最大提高了22.6%。

（3）導(dǎo)電性能測(cè)試結(jié)果表明，碳纖維越長(zhǎng)、摻量越大，材料的電阻率越小，即導(dǎo)電性能越好。采用振動(dòng)壓實(shí)法成型試件，更有利于提高CFRC復(fù)合材料的導(dǎo)電率。碳纖維摻量為0.2%時(shí)，采用振動(dòng)壓實(shí)法比采用振動(dòng)法制備的CFRC復(fù)合材料平均電阻率降低66.7%。碳纖維摻量0.4%時(shí)CFRC復(fù)合材料平均電阻率降低了59.8%。