关键词：
石墨烯
水泥基复合材料
力学性质
电学性质
热学性质
数值模拟
材料优化
热管理
摘要：
水泥基复合材料在建筑、基础设施、交通等领域都具有广泛的应用,实际工程中根据工程需求选择不同种类的水泥基复合材料,可以实现更好的性能和可持续性。水泥基纳米复合材料旨在改善水泥单独使用时的性能,增强其力学性能、耐久性和适应性。石墨烯是一种由碳原子组成的二维晶格结构的材料,具有优异的导电性、热导性、机械强度、柔韧性以及化学稳定性,将其与水泥结合可以改善水泥基材料的性能,使其更适用于各种工程和建筑应用。
在水泥基复合材料中加入石墨烯,为其引入了新的特性。一方面石墨烯的加入显著提升了复合材料的导电性,并赋予了其独特的机敏性。使其在健康监测和结构安全评估方面显示出无可比拟的优势。同时导电性能使得它能够有效地检测和传输结构中的微小裂缝和应力变化信号,从而实时监控建筑和基础设施的健康状况。另一方面石墨烯对水泥基复合材料的热输运性能产生了显著影响,这影响了其保温和隔热的效果。在追求碳中和的今天,建筑材料的保温隔热性能、能耗和热管理变得尤为重要。因此,深入探究石墨烯水泥基复合材料的热学性能,不仅有助于深入探究其在保温、隔热方面的潜力,也有助于推动低碳建筑材料的发展,从而更好地服务于建筑领域,实现能源的有效利用和环境的可持续发展。与此同时,水泥基复合材料作为广泛应用的建筑材料,其良好的力学性能是应用的前提,因而对其力学性能进行研究十分必要。
本文旨在研究石墨烯水泥基复合材料的机敏性和热管理方面的性能,以及材料基础的力学性能。采用数值模拟和实验的方法对石墨烯水泥基复合材料的电学、力学、热学性能进行研究,主要研究内容如下:
(1)采用有限元软件Ansys中的APDL模块编写命令流语言程序,建立石墨烯增强水泥基复合材料的三维随机模型。对石墨烯水泥基复合材料进行了单轴压缩数值模拟,根据数值模拟结果所得数据绘制获得von Mises应力云图与第一主应力云图。模拟结果表明:石墨烯有效地承担更多的负载,从而减少了水泥基体的应力,进而增强了复合材料的力学性能;同时石墨烯在水泥基体中的分布方向,对石墨烯水泥基复合材料的力学性能有一定的影响。通过Vasp软件建立水泥水化物C-S-H的原子模型,对水泥水化物的微观性质进行计算,将计算所得的材料参数,重新输入Ansys中进行单轴压缩数值模拟。模拟结果表明:对比直接输入的宏观参数的数值模拟实验,数值优化后的模拟结果应力分布更为均匀,在石墨烯增强体附近的应力过渡更为自然。
(2)建立三维随机模型后对石墨烯水泥基复合材料进行在点电极、双线电极、电阻测定等模拟情形下的电学数值模拟,并根据数值模拟结果所得数据绘制电流密度矢量图。模拟结果表明:石墨烯的掺入使复合材料内部的电学性能有了显著的提升;石墨烯增强体的均匀分布会导致更均匀的电流密度分布;石墨烯的体积分数的增加,也会使整体电流密度增加;石墨烯的掺入可以在材料内部形成连续的传导路径;具有棱角的形状以及较大长宽比的石墨烯增强体更加有利于提升水泥基复合材料的电学性能。
(3)建立三维随机模型后对石墨烯水泥基复合材料进行稳态热数值模拟。模拟结果表明:石墨烯的掺入对石墨烯水泥基复合材料的热学性能有显著的提升;石墨烯在水泥基体中的三维分布、石墨烯的掺量对复合材料的热学性能有较大影响,且通过对其优化可以最大化提升热学性能的同时减小复合材料不必要的热能集中。通过声子玻尔兹曼输运方程和第一性原理计算,探究水泥基材料中的关键成分Ca O及其与其钙相化合物Ca M(M=O、S、Se、Te)的固有热输运性质,在VASP中全面分析了Ca M化合物的晶格热导率,并揭示了影响其热传递性能的声子属性和潜在的散射机制。结果表明:声子散射通道的数量主要决定了声子的寿命,而声子的寿命则是决定材料热导率的关键因素。
(4)采用四电极法进行了石墨烯增强水泥基复合材料的电学实验,以探究石墨烯掺量对材料内部电阻率的影响。实验结果表明:随着石墨烯掺量的增加,复合材料的电阻率显著下降,导电性得到增强;采用外部循环荷载对石墨烯增强水泥基复合材料的电学机敏性质进行实验,测定电阻变化率与外部循环荷载的关系。实验结果表明:复合材料的电阻变化率与循环荷载呈稳定相关性,表现为荷载越大,电阻变化率随之增加;反之,荷载减小时,电阻变化率亦相应降低;进行了石墨烯水泥基复合材料的7d、28d的抗压、抗折实验。实验结果表明:石墨烯的掺入初期随掺量增加而显著提升材料的抗压和抗折强度,但在掺量达到0.07 wt%峰值后,强度增长开始减缓。表明石墨烯能显著增强水泥基复合材料的力学性能,且存在最优的石墨烯掺杂比。
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