教学课程资源库 更多>>

关键词： 硫铝酸盐水泥   矿物掺合料   工作性能   力学性能   抗氯离子渗透性能   微观分析  

摘要： 硫铝酸盐水泥基材料(Sulfate aluminum cementitious material,SAC)具有早强、高强、收缩小、含碱量低和抗冻性能好的特点,常用作海工结构材料,有巨大的发展潜力。但SAC仍存在流动度经时损失过大和后期强度发展不稳定的问题,限制了其在工程中的推广。本文采用外加葡萄糖酸钠(Sodium gluconate,SG)和矿物掺合料的方法来改善SAC流动度经时损失过大和后期强度发展不稳定的问题,因此本文研究了葡萄糖酸钠和不同种类矿物掺合料对SAC流动度经时损失和力学性能的影响,并探究了含矿物掺合料SAC对外部环境和材料内部氯离子渗透的抵抗能力,主要工作和结论如下: (1)研究了SG型缓凝剂对SAC工作性能、力学性能和对外部氯离子渗透抵抗能力的影响,开展了共204个试件的流动度经时损失试验、抗压试验、抗折试验、电通量试验和非稳态氯离子迁移试验。结果表明:葡萄糖酸钠可有效降低SAC的30 min流动度经时损失,解决了其流动度经时损失过大问题,当SG掺量为0.4%时30 min流动度经时损失仅为6.1%;SG型缓凝剂的掺入降低了SAC的1 d和3 d抗压及抗折强度,当掺量0.6%以下时不会降低其28 d强度;28 d龄期SAC对外部环境氯离子渗透的抵抗能力随着SG含量的增加而增强;进而获得SG型缓凝剂最优掺量为0.4%。 (2)研究了粉煤灰、矿粉、硅灰和石灰石粉对SAC工作性能的影响,开展了16个配合比的含矿物掺合料SAC流动度经时损失试验。结果表明:粉煤灰、矿粉和硅灰的掺入均会提高SAC流动度,提高效果为硅灰>粉煤灰>矿粉;石灰石粉的掺入会降低SAC流动度;当硅灰掺量大于30%后会略微降低砂浆流动度;确定了含矿物掺合料SAC各个配比最适合工程应用的用水量。 (3)研究了含矿物掺合料SAC力学性能,开展了576个试件的SAC抗压和抗折试验。结果表明:粉煤灰和矿粉的掺入均会降低SAC的3 d前强度,而含矿粉SAC的56 d抗折强度均高于基准组;适量硅灰掺入可以显著提高SAC力学性能,硅灰20%掺量试件抗压和抗折强度较基准组分别提高了17%和16.7%;石灰石粉的掺入不利于SAC力学性能的发展;矿物掺合料的掺入均可以提高SAC后期力学性能增长速度和试件56 d折压比,使得含矿物掺合料SAC后期强度稳定发展,并且提高了试件延性。 (4)研究了含矿物掺合料SAC对外部环境氯离子渗透的抵抗能力和对材料内部氯离子侵蚀的抵抗能力,开展了共512个试件的电通量、非稳态氯离子迁移、水溶性氯离子和酸溶性氯离子含量测定试验。结果表明:适量粉煤灰和硅灰的掺入会提高SAC对外部环境氯离子渗透的抵抗能力,矿粉的作用效果不明显,含石灰石粉SAC对外部环境氯离子渗透抵抗能力均低于基准组,硅灰20%掺量试件性能最佳,较基准组提高了56.9%;粉煤灰和矿粉的掺入会提高SAC对材料内部氯离子侵蚀的抵抗能力,提高效果为粉煤灰大于矿粉,粉煤灰20%掺量试件性能最佳,氯离子结合率较基准组提高了46.6%,而硅灰的掺入会降低SAC对材料内部氯离子侵蚀的抵抗能力。 (5)研究了葡萄糖酸钠和矿物掺合料对SAC微观形貌和物相组成的影响,开展了26个试件的扫描电镜试验和30个试件的X射线衍射试验。结果表明:氯离子环境下SAC的水化产物主要是钙矾石、C-S-H凝胶和Friedel盐;葡萄糖酸钠的掺入可以改善SAC孔隙结构,增大了C-S-H凝胶体积,但掺量过高时会降低钙矾石生成量;随着粉煤灰掺量的增加,含粉煤灰SAC孔隙结构得到改善,Friedel盐和C-S-H凝胶生成量逐渐增加;矿粉的掺入有利于纤维状钙矾石和Friedel盐的生成,但会略微减少C-S-H凝胶生成量;适量硅灰的掺入可以显著改善SAC的孔隙结构,使得水化产物结构密实,当硅灰掺量过多时,水化产物表面出现微裂缝;石灰石粉的掺入增大了SAC的毛细孔数量,使得水化产物结构松散。

关键词： 分子动力学   力学性能   MOFs   Cu/Cu2O/C负极材料   锂离子电池  

摘要： 负极材料在锂离子电池中发挥着重要作用,对于电池的储能密度、倍率性能和循环稳定性都有着很大的影响。金属有机框架材料（MOFs）由于其具有较大的比表面积、较高的孔隙率和孔径尺寸可调等特点,被广泛应用于催化、分离、气体储存等领域,这些优点使得其在锂离子电池中也具有巨大的应用潜力。铜具有多种化合价态,而且铜氧化物储量丰富、对环境友好、成本低廉、比容量较高,所以成为了锂离子电池负极材料的潜在可选对象。本文通过分子动力学模拟研究了三种MOF材料的力学性能,选择FDM-71作为制备铜氧化物纳米材料的前驱体,制备出了Cu/Cu2O/C复合材料作为锂离子电池负极,通过材料表征与电化学测试分析了其电化学性能。本文的主要研究内容如下: （1）通过密度泛函理论和分子动力学研究了结构类似的FDM-71、Ni-MOF和Zn-MOF三种材料的力学性能。VASP、MS与LAMMPS计算出的结果具有较好的一致性。VASP模拟300 K和500 K下体系的能量变化表明FDM-71在高温下仍具有很好的稳定性。在300 K温度下,采用LAMMPS通过施加不同压力,发现FDM-71、Ni-MOF和Zn-MOF都具有很好的结构稳定性,而且随着压力的变化FDM-71的模量波动很小,表现得非常稳定。在零压下计算了不同温度下三种材料的力学常数,发现FDM-71、Ni-MOF和Zn-MOF在700 K以下都具有良好的热力学稳定性,尤其是300-500 K的模量变化微小;同时100-900 K升温过程的能量变化表明,FDM-71在776.8 K时失去了结构稳定性,Ni-MOF在730.4 K时结构出现很大变化,而Zn-MOF在817.6 K时才出现结构破坏。通过与机器算法预测的结果进行对比,发现本文的分子动力学模拟结果与算法预测的结果相符。 （2）通过水热法制备出了FDM-71前驱体材料,经过高温碳化制得Cu/Cu2O/C复合材料。该材料继承了FDM-71的规则多孔和比表面积较大的优点,用作锂离子电池负极材料时,能够很好的适应锂离子嵌入导致的体积膨胀和应力变化,它有利于电极与电解液之间的直接接触,也因此减小了锂离子的扩散距离。另外,复合材料中的Cu和C的存在提高了复合材料的导电性。得益于这些优势,制备出的Cu/Cu2O/C复合材料表现出卓越的电化学性能。在0.1 Ag-1的电流密度下,循环100次后,半电池的可逆比容量可达826 m Ahg-1。当电流密度增大到1.0Ag-1时,400次循环后的放电容量也能保持在469 m Ahg-1。Cu/Cu2O/C复合材料因其良好的倍率性能和和循环稳定性,具有较大的成为锂离子电池负极材料的潜力。

关键词： 2.5维变厚度机织复合材料   外减纱机织复合材料   内减纱机织复合材料   全尺寸几何模型   刚度预测模型   强度预测模型   疲劳寿命预测模型  

摘要： 三维角联锁机织复合材料,俗称2.5维机织复合材料,是一种新型高强度重量比材料。随着2.5维变厚度机织复合材料在航空、航天等领域越来越广泛的应用,该类型复合材料的强度和疲劳失效已成为研究人员重点关注的一个问题。近年来,2.5维变厚度机织复合材料的研究大都集中于制造工艺及静载力学性能,在细观结构表征和刚度性能预测方面取得了一定的研究成果,但对于强度、疲劳寿命及其失效机理的分析还不够深入。本文针对2.5维变厚度机织复合材料,系统研究了该结构的力学行为及疲劳寿命预测模型。 本文主要的研究工作和研究结论如下: 1.采用纱线数量增减法设计并制作了两类2.5维减纱织物和试验件,分别叫作外减纱机织复合材料和内减纱机织复合材料。两种结构变厚度区域均由5个独立的部分所组成,各部分占有1至2个减纱层。此外,采用X射线微断层扫描技术测量了外减纱和内减纱机织复合材料的细观结构,并对其在机织和成型过程中的几何变形机理进行分析。最后,开展准静态拉伸和拉-拉疲劳试验研究,对比分析了外减纱和内减纱机织复合材料变厚度区域内经向刚度、拉伸强度、疲劳寿命及其损伤破坏机理。 2.以CCF800H/EC230R外减纱和内减纱机织复合材料为研究对象,利用多种数学表达式提出并建立了一种考虑了几何连续性、机织张力和成型压力对经纬纱相对位置所造成影响的单胞和全尺寸几何模型。该全尺寸模型是由第1部分至第5部分单胞几何模型拼接而成。随后,采用二维四节点平面辅助单元对两种结构第1部分至第5部分的单胞几何模型进行平面网格划分并拼接。选用三维八节点六面体单元对已经建立的平面有限元模型沿纬纱走向进行扫略式三维网格划分,由此建立外减纱和内减纱机织复合材料单胞和全尺寸有限元模型。基于此,采用均匀边界条件和体积平均法,分别建立了单胞与全尺寸的刚度预测模型。最后,对2.5维变厚度机织复合材料各部分单胞厚度、变厚度区域长度、总体纤维体积含量、纬纱中心轴偏转角、经纬纱尺寸及经向刚度进行了预测与试验验证。 3.提出并建立了一种变厚度机织复合材料强度预测模型。基于损伤力学和复合材料细观力学,定义纱线纤维拉伸、纱线纤维压缩、纱线基体拉伸、纱线基体压缩、纯树脂基体拉伸及压缩六种相互独立的损伤变量以建立考虑微观损伤耦合效应的机织复合材料本构关系。在本文所建立的外减纱和内减纱机织复合材料有限元模型基础上,引入上述损伤本构关系并结合Hashin三维失效准则及Von Mises三维失效准则,利用APDL语言在ANSYS中对其进行材料组分失效判定,以模拟2.5维变厚度机织复合材料的强度失效过程。最后采用试验结果对预测结果进行验证,从而说明2.5维变厚度机织复合材料强度预测模型的有效性。 4.提出并建立了一种变厚度机织复合材料疲劳寿命预测模型。在本文所建立的外减纱和内减纱机织复合材料有限元模型基础上,将上述六种相互独立的损伤变量与损伤热力学方法相结合,推导出材料组分的应变能密度、损伤驱动力及损伤演化方程,并引入材料组分等效应力来近似计算纱线内纤维和基体的真实应力。利用APDL语言在ANSYS中对其进行实现,以模拟2.5维变厚度机织复合材料的疲劳失效过程。最后采用试验结果对预测结果进行验证,从而说明2.5维变厚度机织复合材料疲劳寿命预测模型的有效性。 试验及仿真分析均表明:两种结构接结经纱和衬经纱的断裂位置比较统一,均位于变厚度区域第1部分内,且结构5个部分均有基体裂纹的萌生和扩展。外减纱试验件中间区域的破坏程度明显高于边缘位置,而内减纱试验件中间位置与边缘区域的破坏程度相当。纬纱的主要失效模式是纱线基体开裂。接结经纱和衬经纱均出现少量的纱线纤维拔出和纱线基体开裂,呈现出脆断特征。

关键词： 粉末冶金   石墨烯纳米片   铝基复合材料   挤压变形   轧制变形  

摘要： 铝基复合材料具有比强度高、密度低、耐磨性好等优点,被广泛应用于航空航天、汽车等领域。以晶须、碳化硅等作为增强体的铝基复合材料无法兼具导电率和绝对强度,但以石墨烯纳米片（Graphene Nano Plates,GNPs）作为增强相可实现导电性能和力学性能的调控,对发展高强高导GNPs/Al复合材料具有指导意义。本文通过粉末冶金的方式,制备了GNPs/Al复合材料（GNPs的添加量为0、0.1、0.2和0.3 wt.%）。研究了挤压和轧制变形对GNPs/Al复合材料显微组织、力学性能和导电性能的影响,探讨了热处理工艺对材料力学性能和导电性能的调控作用。主要取得以下研究结果:（1）烧结态复合材料在GNPs含量为0.1 wt.%时,晶粒最细,平均晶粒尺寸为2.27μm,硬度最高,为46.1 HV。GNPs含量为0.2 wt.%和0.3 wt.%时,晶粒细化效果减弱,GNPs团聚为块状,硬度呈下降趋势。不同GNPs含量的复合材料导电率分别为44.1、40.5、37.6和35.8%IACS,密度分别为2.59、2.57、2.52和2.51g/cm3。（2）添加GNPs的挤压态复合材料,动态再结晶程度、<111>织构含量、力学性能和导电性能同时提高。相较于挤压态纯铝,GNPs添加量为0.1 wt.%时,晶粒最细,平均晶粒尺寸为0.94μm,综合力学性能最佳,屈服强度、抗拉强度、延伸率和硬度分别为111.6 MPa、172.4 MPa、21.1%和53.2 HV。GNPs添加量为0.2wt.%和0.3 wt.%时,复合材料强度、硬度下降,晶粒细化作用减弱,团聚的GNPs呈条状分布。相较于烧结态锭坯,挤压态板材密度增大,分别为2.65、2.65、2.62和2.60 g/cm3,导电率分别为60.0、56.7、55.4和54.3%IACS。（3）细晶强化和加工硬化共同作用使冷轧态复合材料力学性能显著提升。添加0.1 wt.%GNPs的材料晶粒细化效果最佳,平均晶粒尺寸为0.12μm,综合力学性能达到最好,屈服强度、抗拉强度和延伸率分别为336.8 MPa、406.5 MPa和3.0%。增加GNPs含量使晶粒细化效果减弱,强度降低。冷轧态复合材料表面光洁,GNPs呈带状分布,S、<111>形变织构含量增加,都大于15%。冷轧态复合材料的晶粒细化和加工硬化不利于导电率提高,不同GNPs添加量的冷轧态试样导电率分别为28.6、24.8、27.7和27.8%IACS。（4）0.1 wt.%GNPs/Al复合材料经280、390、500℃退火,随退火温度升高加工硬化程度降低,晶粒尺寸变大,再结晶晶粒占比提高。不同退火温度下的屈服强度分别为189.3、168.3和155.4 MPa,抗拉强度分别为216.1、193.5和189.2 MPa,延伸率分别为1.1%、6.3%和8.4%,导电率分别为32.9、34.7和40.6%IACS。

关键词： 三维缝合C/C-SiC复合材料   力学性能   断口形貌   损伤演化   孔隙率  

摘要： C/C-SiC陶瓷基复合材料因其质轻、高比强、高比模、高热导率和高摩擦磨损性能等特点,被广泛用于航天飞行器鼻锥、卫星反射镜基座和高性能刹车等领域。然而由于应用环境的复杂性、恶劣性与重要性,对陶瓷基复合材料在服役周期内的安全性和可靠性具有十分严格的要求。传统的二维层合复合材料层间性能弱,易分层,严重阻碍了其在这些场合中的应用。本课题据此背景,采用CVI(化学气相沉积)+GSI(气相渗硅)法制备了三维缝合C/C-SiC复合材料和二维层合C/C-SiC复合材料,研究了复合材料的三点弯曲、剪切和拉伸性能,结合高速摄相机、超景深显微镜和扫描电子显微镜,从宏观和微观角度讨论了其破坏失效机理,并结合有限元分析的方法模拟了孔隙缺陷对复合材料单轴拉伸性能的影响及损伤演化机理。 本课题开展了三维缝合C/C-SiC复合材料和二维层合C/C-SiC复合材料的三点弯曲、短梁剪切以及单轴拉伸试验,获得了材料弯曲强度、剪切强度、抗拉强度、弹性模量等关键力学性能数据,较为全面的分析了材料在不同载荷下的宏观断口形貌和纤维微观损伤特征,进一步揭示了材料的断裂失效机理。研究结果表明,在弯曲载荷下,材料呈现出拉伸侧分层、压缩、侧剪切等多种失效模式的耦合破坏特征,三维缝合C/CSiC复合材料的弯曲强度和弯曲模量相比于二维层合C/C-SiC复合材料都有所降低;层间剪切应力作用下,材料的破坏模式主要是分层破坏,三维缝合复合材料的剪切强度和剪切模量相比于二维层合复合材料分别提高了30.6%和13.6%;轴向拉伸应力作用下,材料的破坏模式为拉伸破坏和分层破坏,三维缝合复合材料的拉强度为285.7 MPa,比二维层合复合材料增加了6.5%;仿真模拟结果表明,拉伸强度随着孔隙率的增加而减小,孔隙缺陷为15%的有限元模型与实验孔隙率为15%的复合材料应力应变曲线吻合良好,说明该模型可以准确的预测该类型复合材料的力学性能和损伤破坏行为。 本课题对三维缝合C/C-SiC陶瓷基复合材料的基础力学性能进行了系统研究,得出三维缝合C/C-SiC陶瓷基复合材料在不同载荷破坏下的失效机理与损伤模式,为其在不同场合下的应用提供了理论参考,这对该类复合材料的发展具有重要意义。

关键词： CNTs   PP/PET   分子动力学   力学性能   相容性  

摘要： 聚丙烯(PP)和聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)都是聚合物改性常见材料,PET可增强PP的耐热性与模量等性能,PP可增强PET的加工性能,降低其对水的敏感性,但PP/PET共混物的界面张力高,相容性差,应用受到较大程度限制。碳纳米管(CNTs)具有高长径比,力学性能优异,将CNTs与PP/PET复合材料混容,制备具有良好加工性能的复合材料,具有重大意义。国内外对CNTs的关注多在力学性能方面,很少对其作为界面过渡相的增容作用进行研究。CNTs添加至PP/PET复合材料,对材料力学性能和相容性造成影响,拓宽其应用领域。本文基于分子动力学法模拟了纯PP模型和不同PET占比(10%、15%、25%)复合模型的力学性能及玻璃化转变温度(Tg),分析发现不同比例PP/PET复合体系相比于纯PP体系的刚度系数、体积模量、剪切模量及杨氏模量有所增加,柔度系数下降,其中PP/PET(85:15)复合体系的力学性能较为突出。以力学性能较好的配比构建CNTs/PP/PET复合晶胞,模拟其力学性能和Tg,分析得出CNTs/PP/PET复合体系的力学性能有所提升,且CNTs使PP/PET复合体系的两个Tg更为接近,相容性得到一定改善。本文以CNTs、PP、PET为原料,通过熔融共混和注塑,制备质量分数为0 wt%、1 wt%、2 wt%的CNTs/PP/PET复合材料样条。断面微观形貌测试表明,CNTs能减小PP/PET复合材料断口表面“海-岛结构”和凹坑的尺寸与数量,证明CNTs起到一定增容作用。拉伸试验表明,CNTs含量增加时,复合材料的拉伸强度上升,断裂伸长率下降。通过XRD衍射仪分析得出,PP的吸收峰较为明显,碳纳米管能增强材料在(110),(040)晶面的衍射效应,PET能抑制α单斜晶系PP的结晶。通过维氏硬度计测试,随CNTs含量增加,CNTs/PP/PET复合材料的硬度提升。流变性能测试表明,测试温度为230℃时,随着CNTs含量的增加,CNTs/PP/PET复合材料的储能模量越大;不同CNTs含量的CNTs/PP/PET复合材料的损耗模量相比于纯PP材料大幅度提升;随频率的增高,CNTs/PP/PET复合材料的复数黏度(η*)降低。

关键词： 互穿相复合材料   本构关系   单轴压缩   低温拉伸   泡沫金属   环氧树脂  

摘要： 泡沫金属/环氧树脂互穿相复合材料在航空、航天、交通、能源和建筑具有广泛应用前景。目前,这种复合材料现有本构关系研究或过于复杂,或精确度不足。本文旨在结合材料的拉压双模量特点,建立一套相对准确且简单的本构关系体系,为应用中材料选择和比例配置提供理论依据和参考。首先,基于泡沫金属/环氧树脂互穿相复合材料双模量的特点研究了压缩状态下的力学性能。构建了立方体型细观力学代表体单元,采用多尺度法分阶段推导了弹塑性变形的压缩本构方程。以泡沫镍铁/环氧树脂互穿相复合材料为例得出了代表体单元单轴压缩应力-应变关系的解析解,通过泡沫镍铁/环氧树脂互穿相复合材料的准静态压缩试验,验证了所得模型的合理性和适用性。其次,针对常温和低温条件下拉伸荷载模式,考虑基体相与增强相的界面强度,计及基体相初始损伤,采用多尺度法建立了泡沫金属/环氧树脂互穿相复合材料代表体单元弹塑性变形的拉伸本构方程。利用泡沫镍铁/环氧树脂复合材料剥离试验确定初始损伤参数,断裂韧性试验确定极限损伤参数,单轴拉伸试验结果反演确定本构方程参数,给出常温和低温条件下该类复合材料不同孔径尺寸所对应的应力-应变关系解析解,通过试验验证了所得拉伸本构关系的理论可靠性。最后,针对混凝土夹芯墙体连接件热桥和低延性的局限性,开发设计了一种新型泡沫镍铁/环氧树脂互穿相复合材料板式连接件。试验结果表明,新型连接件具有较低的导热性和较高的剪切强度,有限元法分析进一步揭示了其剪切变形机制,提出增强连接件剪切强度的方法。新型连接件与工程常用连接件相比,在隔热、延性和能量吸收等力学性能方面具备显著优势,为其在建筑领域或其他工程领域的应用提供理论基础。

关键词： 石墨烯   硫铝酸盐水泥   水泥复合材料   微纳米力学   强度  

摘要： 硫铝酸盐水泥作为新型绿色建筑材料,具有快硬早强、耐寒抗渗的特点,可以应用于快速抢修、冬季施工和海洋工程等工程中。石墨烯的力学强度高,具有很高的韧性和优越的电学、热学性能,应用前景广阔。本文研究石墨烯在改善硫铝酸盐水泥复合材料力学性能中的应用,研究石墨烯-硫铝酸盐水泥复合材料的制备方法,从宏观和微观两个尺度研究石墨烯对硫铝酸盐水泥力学性能的改善效果和内在机理。主要研究内容如下。（1）研究石墨烯的分散方法、配合比设计以及石墨烯-硫铝酸盐水泥复合材料的制备方法,开展抗压、抗折试验,研究石墨烯对硫铝酸盐水泥复合材料宏观力学性能的改善效果。通过扫描电子显微镜图像微观形貌分析和水化热分析,研究石墨烯改善硫铝酸盐水泥复合材料力学性能的内在机理。复合材料的宏观力学强度随石墨烯掺量的增加先增大后减小,且0.02wt%为石墨烯最佳掺量。复合样中钙矾石的生成量增多,并且没有新的水化产物生成。复合样的水化放热峰的趋势与空白样一致,复合样的第二个放热峰高于空白样,此时其水化反应速率高于空白样,复合样的总体放热量低于空白样。（2）应用纳米压痕试验研究石墨烯-硫铝酸盐水泥复合材料的纳尺度力学性能,开展物相分析。点阵法测试石墨烯改性硫铝酸盐水泥水化产物的微纳米力学强度,采用高斯混合模型绘制试样的实测弹性模量及硬度值的概率分布图,进行概率密度函数拟合,研究复合材料水化产物的生成情况。石墨烯的加入对于硫铝酸盐水泥特定物相的弹性模量及硬度值没有显著影响,复合样水化后的孔隙和低密度水化硅酸钙少于空白水泥试样,石墨烯的加入能够有效促进高密度水化硅酸钙、超高密度水化硅酸钙以及单硫型水化硅酸钙生成,从而提高复合材料的宏观力学强度。（3）应用纳米压痕试验研究石墨烯-硫铝酸盐水泥复合材料的蠕变行为,采用连续刚度测试方法,加载至一定载荷后增加一段持载时间,测试蠕变系数,研究不同水灰比、养护试件等因素对蠕变行为的影响。未加石墨烯的硫铝酸盐水泥试样养护3d时的蠕变系数CIT小于7d,水泥试样蠕变行为更加明显,两个养护龄期下的水泥试样表现出了相同的对数型蠕变趋势。加入石墨烯的复合样的蠕变系数CIT拟合结果在空白样的标准差σ-CIT的范围内,且蠕变系数μ-CIT的平均值之间的差异不超过3.05%。石墨烯的加入对硫铝酸盐水泥的蠕变行为不产生明显影响。

关键词： 含缺陷氧化石墨烯   水化硅酸钙   分子动力学   官能团   力学性能  

摘要： 水泥基材料是现代建筑工程领域使用最广泛的建筑材料,在基础设施建设过程被中大量使用。由于水泥材料呈现脆性性质、抗拉强度低等特点,导致在实际的应用过程中可能出现裂缝,并引发承载性能降低和使用寿命缩短等问题。此外水泥材料的需求日益增长,生产水泥过程中排放大量的温室气体,导致生态环境污染。因此研究如何增强水泥材料的性能成为一个重要的课题。早期研究人员使用纤维材料(碳纤维、钢纤维等)来加强水泥材料,但是这种方法并不会从本质上对水泥水化物——水化硅酸钙(calcium silicate hydrate,C-S-H)产生影响。这些年来,纳米技术和纳米材料的发展使得从根本上对水泥材料进行改性开辟了新的途径。在这些纳米材料中,氧化石墨烯(graphene oxide,GO)由于表面含有羟基、羧基等活性官能团,使其具有在水中分散性良好、高比表面积和高力学性能等优异的性能,因此被认为是一种在增强水泥材料上最具有潜力的纳米材料。研究人员已经通过实验证明GO掺入可以有效提高氧化石墨烯水泥复合材料的抗拉、抗压和抗弯强度。但是由于实验无法从分子尺度上捕捉氧化石墨烯和水泥之间界面化学反应、界面结构等关键的纳米信息,而分子动力学模拟方法可以在纳米尺度上研究水泥基材料的改性机理,对于理解水泥基材料的微观结构和性能有着非常重要的作用。目前,利用分子动力学模拟方法对于GO和C-S-H的界面相互作用、结构、动力学特性和力学性能已经被学者广泛研究,但是对于含缺陷的GO对于GO/C-S-H复合材料力学性能的影响还有待研究。本文利用含缺陷的GO沿着不同的方向嵌入C-S-H凝胶构建一种新型的含缺陷的GO/C-S-H复合材料模型,利用分子动力学方法研究了含缺陷的GO/C-S-H复合材料的力学性能和断裂机制,分析讨论了缺陷、官能团对其力学性能的影响规律,本文的主要研究内容如下:(1)通过将含缺陷的GO沿着垂直层间方向嵌入到C-S-H中,研究了含不同类型缺陷和不同缺陷大小的GO对GO/C-S-H力学性能的影响。结果表明:发现含有四边性和六边形缺陷的GO与C-S-H之间有着更强的相互作用,将其嵌入能够有效增强GO/C-S-H材料;而含有三角形缺陷的GO不能有效增强GO/C-S-H复合材料。通过改变缺陷大小发现含四边形和六边形缺陷的GO/C-S-H的力学性能随着缺陷大小的增大而增大,且在温度相同的条件下,完美的和含缺陷的GO/C-S-H的力学性能会随着应变率的增大而增大。(2)通过将含缺陷的GO沿着垂直层间方向插入到C-S-H,并对得到的GO/C-S-H模型进行不同方向的拉伸模拟,发现在其他两个方向上含缺陷的GO对GO/C-S-H的增强效果不如完美的GO。通过研究官能团对GO/C-S-H力学性能的影响,结果表明GO/C-S-H的力学性能会随着官能团覆盖度的增大而增大;通过研究不同的官能团组成的GO对GO/C-S-H力学性能的影响,表明在x和z方向,只含有羟基官能团的GO/C-S-H力学性能最高。(3)改变含缺陷的GO的插入方向,将含缺陷的GO沿着x和y方向平行地嵌入到C-S-H的层间中,研究了缺陷类型、缺陷大小、缺陷位置、官能团对含缺陷的GO对GO/C-S-H复合材料在x和y方向力学性能的影响。结果表明在x和y方向上,含缺陷的GO都能够增强GO/C-S-H的力学强度,且缺陷对于GO/C-S-H的断裂具有一定的引导作用;当缺陷位于GO的中部时将不能增强GO/C-S-H复合材料;含缺陷的GO/C-S-H的拉伸强度会随着缺陷大小的增大而增大,也会随着官能团覆盖度的增大而增大。