碳纤维水泥基复合材料研究进展

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1、碳纤维水泥基复合材料研究进展摘要：水泥混凝土材料以其抗压强度高、施工方便等优点在人类建筑史上发挥了重要作用，但由于其功能单一、脆性大、自重大、抗拉强度和抗弯强度低等缺点，在特殊领域中的用途受到了很大限制。碳纤维具有高弹性、高模量、比重小、耐腐蚀、对人畜无害等优异性能被视为许多材料的优良增强体。将其加入到水泥基体中，制成碳纤维增强水泥基复合材料(cFILc)，不仅可改善水泥自身力学性能的缺陷，使其具有高强度、高模量、高韧性，更重要的是把普通的水泥建筑材料变成了具有自感知内部温度、应力和损伤及一系列电磁屏蔽性能的功能材料。本文介绍了碳纤维水泥基复合材料的制备方法、力电性能、应

2、用及其尺寸效应的最新研究进展，展望了其在功能材料方面的研究应用前景。关键词：碳纤维；水泥基；复合材料性能Abstract：Cement-basedconcretehasplayedallimportantroleinthehistoryofhumanarchitectureduetoitsadvantagessuchashighcompressionstrengthandeasyworking．However，itsshortcomingssuchassinglefunction．brittleness，heavyweight，lowtensilestrengthandl

3、owflexuralstrengthhavelimiteditsuseinmanyspecialfields．Intheexperiment，carbonfiberswereaddedintocementmatrix，resultingnotonlyinimprovedmechanicalpropertiesofcement，i．e．higherstrength,modulusandtoughness，butmoreimportantly，intheconversionofthiscommonbuildingmaterialintoafunctionalmaterialw

4、hichiscapableofself-sensingtheinternaltemperature，stressanddamageaswellashasEMIshieldingproperties．Keywords：carbonfiber=cementmatrix；compositematerial；properties20世纪60年代以来，碳纤维作为新一代复合材料的补强纤维，以其高强度比、高模量比、密度、低x光吸收率、抗腐蚀、耐烧蚀、抗疲劳、耐热冲击、导电导热性能好、传热系数小、膨胀系数小和自润滑等优异性能而在航天、航空、航海、建筑、轻工等领域中获得了广泛的应用。碳纤维

5、是有机纤维在惰性气氛中经高温碳化而成的纤维状的碳化合物。它是由沥青纤维、聚合物纤维或含碳气体制成。将碳纤维加入到水泥基体中即制成碳纤维增强水泥基复合材料(CFRC)，也称纤维增强混凝土。。20世纪70年代，英国首先用聚丙烯腈基(PAN)碳纤维研制碳纤维增强水泥基材料(CFRC)板材，使用于伊拉克Al-Shakeed纪念馆，开始了碳纤维增强混凝土研究与应用的先例[3]。在水泥基体中掺入高强碳纤维是提高水泥复合材料抗裂、抗渗、抗剪强度和弹性模量，控制裂纹发展，提高耐强碱性，增强变形能力的重要措旌。此外，碳纤维还具有震动阻尼特性，可吸收震动波，使防地震能力和抗弯强度提高十几倍。

6、更为可贵的是，碳纤维具有导电性，将其加入到水泥基体中可赋于其智能性，极大地扩大了它的应用范围。CFRC复合材料在承受载荷时表面不产生龟裂，其抗拉强度和抗弯强度、断裂韧性比不增强的高几倍到十几倍，其冲击韧性也相当可观。短切碳纤维增强水泥所用碳纤维的长度一般为3～6mm，直径为7～20um，抗拉强度范围在0．5～0．8GPa。普通水泥的强度通常为11．76MPa，若按重量掺入15％的碳纤维，其强度可达至245MPa；若掺入量为20％时，强度可高达548．8Mpa[2]。此外，与普通混凝土相比，CFRC具有质轻、强度高、流动性好、扩散性强、成型后表面质量高等优点，将其用作隔墙时

7、，重量比普通混凝土制作的隔墙薄l／2～1／3，重量减轻1／2～1／3。因此，CFRC性能的研究近年来发展迅猛。迄今为止，国际上已有多幢高层建筑应用了碳纤维增强混凝土板材，取得了好的效果。美、欧、日及亚洲其他国家包括我国台湾地区和韩国等都积极研究、开发生产碳纤维产品，其独特的特性是其他材料(如陶瓷和一些有机聚合物纤维束等)无法比拟的。目前，碳纤维增强混凝土作为智能材料正倍受国内外混凝土专家的研究与重视。1CFRC的性能特点及应用1．1CFRC的制备CFRC的制备一般由混料、成型、养护3步组成。利用分散剂将碳纤维预先分散开来，再与