教学课程资源库 更多>>

关键词： MXene   纳米复合材料   分子动力学   多尺度方法  

摘要： 由于纳米材料研究能力的飞速进步,许多二维材料相继被发现并合成。近些年,新型过渡金属碳/氮化物二维纳米层状材料MXene的相关研究正日渐兴起,因其独特的结构和优异的力学性能,将其作为填充物改善聚合物的力学性能极具应用潜力。但是对于MXene/聚合物复合材料的研究仍然处于起步阶段,对于MXene增强聚合物的作用机理尚且不够深刻。为此,本文基于多尺度方法探究了Tin+1C_n对聚合物力学性能的增强效果,并建立了MXene/聚合物复合材料的细观力学计算模型,对相关材料参数进行了模拟和预测。 首先,采用分子动力学方法研究了Ti2C和Ti3C2对PMMA（Polymethyl Methacrylate,聚甲基丙烯酸甲酯）力学性能的改善作用,在原子尺度下探讨了Tin+1C_n与PMMA材料的界面相互作用,阐述了Tin+1C_n对PMMA的增强机理。结果表明Tin+1C_n与PMMA会形成致密的界面区域,两者间具有良好的界面间载荷传递能力,Tin+1C_n能够有效的限制结构的变形,起到增强和连接效果。进一步计算了聚合物中Tin+1C_n的含量与分布对聚合物力学性能的改善作用,研究发现,采用搭接方式排列的Ti2C/PMMA复合材料弹性模量相较于采用平行分布的Ti2C/PMMA提高了14.5%,抗拉强度提高了22.12%。随着聚合物中Tin+1C_n含量的增加,复合材料的弹性模量与抗拉强度不断提高。采用双层Tin+1C_n增强聚合物时,随着Tin+1C_n层间距的增加,Tin+1C_n/PMMA强度逐渐提高。Tin+1C_n能够有效降低PMMA分子链的运动能力,通过调整聚合物中MXene材料的分散特性能够实现对MXene/聚合物力学性能的设计和调控。 然后进一步研究了含有碳空位以及钛空位的Tin+1C_n对PMMA材料的增强效果。结果表明,空位的存在减弱了Tin+1C_n对PMMA的增强效果。一方面,空位降低了Tin+1C_n本身的力学性能和结构稳定性,削弱了Tin+1C_n对PMMA分子链的吸引能力和运动限制能力。另一方面,空位会产生悬空的化学键,这也为聚合物分子链提供了一定的枝接位点。 最后,在细观尺度下对MXene/聚合物的力学性能进行了模拟计算,分别讨论了不同MXene及不同基体材料对复合材料力学性能的影响。结果表明,复合材料沿片层分布方向的弹性模量受MXene的影响较大;垂直于片层方向弹性模量及片层平面内的剪切模量则主要受基体材料性能的影响。此外,MXene颇高的刚度有效的限制了形变。相信通过本文的研究能为纳米复合材料的设计和性能调控提供新的思考和见解。

关键词： 水泥基材料   西藏高岭土   偏高岭土   西藏阿嘎土   水化机理  

摘要： 青藏高原,被誉为“世界屋脊”,其独特的地理位置和海拔使其成为全球气候变化研究的热点区域。青藏高原地区属于欠发达地区,工业门类不全,数量少,传统的矿物掺合料如:粉煤灰、矿渣、硅灰几乎没有。但青藏高原自然矿石资源丰富,如:高岭土、阿嘎土矿石等。对于西藏高岭土的研究极少,对西藏高岭土的质量尚不清晰。阿嘎土属于石灰岩中的微晶灰岩,石灰岩石粉废料常作为水泥行业一种节能减排的矿物掺合料。据此本文对西藏高岭土与阿嘎土对水泥基材料的影响展开了研究。分析了西藏高岭土与阿嘎土的化学组成、物理特性;对水泥胶砂、混凝土为代表的水泥基材料物理力学性能影响;解释了西藏高岭土与阿嘎土对水泥基材料的影响机理;西藏高岭土最佳焙烧温度和掺量;具体研究内容如下: （1）采用西藏天然高岭土与阿嘎土矿石为研究原材料。通过机械活化和高温活化对天然矿石进行处理,同等机械活化条件下,高岭土粉末更细腻,西藏高岭土主要由高岭石与石英组成,属于较为优质的高岭土;西藏阿嘎土主要由方解石与石英组成。西藏高岭土主要失重温度在454.5℃～675.5℃,对应为高岭石转化为偏高岭石,超过895℃时,开始产生莫来石和硅铝尖晶石。 （2）进行了多组西藏偏高岭土与阿嘎土对水泥胶砂力学性能影响试验,西藏高岭土制备偏高岭土的最佳温度是800℃,最佳掺量10%～12%,西藏阿嘎土最佳掺量为5%,在掺量超过7.5%这一阈值之后,力学性能会受到负面的作用。复掺时9%偏高岭土与5%阿嘎土组合取得效果最佳。偏高岭土掺量越大,水泥标准稠度用水量增加,阿嘎土则相反。初凝时间与终凝时间均随掺量的增加,先缩短后延长。西藏偏高岭土对两种混凝土抗压强度促进明显。阿嘎土对C30混凝土力学性能有所提高,但对C60混凝土强度产生了负面影响。复掺时,C30混凝土力学性能可以达到单掺偏高岭土的程度,但C60混凝土性能有所下降。 （3）水泥净浆结合水含量测试和水化产物XRD测定分析两种掺合料的影响机理,发现偏高岭土中活性铝和硅成分可以吸收Ca（OH）2,形成更多的C-S-H凝胶。阿嘎土不会与水泥水化产物发生反应,对水泥浆体的促进主要靠晶核效应和填充效应。偏高岭土独特的片状结构和火山灰活性,可以使其与粗骨料的连接更加致密。引入电化学阻抗测试对水化过程影响进行研究,偏高岭土对混凝土内水泥水化促进作用7～28天比0～7天更强,这个阶段相比基准组电化学曲线右移最明显;复掺可以进一步促进曲线右移。适量掺入偏高岭土和阿嘎土累计放热量不会显著减少,可以显著早期（3天以内）水泥水化反应。

关键词： 养护条件   力学性能   毛细吸水   抗冻性能   微观结构  

摘要： 水泥基材料在世界各地的基础设施建设中均得到了广泛应用,其制备养护条件复杂多样。养护条件对水泥基材料中胶凝材料的水化及其收缩特征产生显著影响,并最终影响其硬化后的力学、吸水和抗冻性能。本文以普通水泥砂浆和纤维增强水泥基复合材料（Fiber reinforced cementitious composites,FRCC）为研究对象,采用标准、低温、蒸汽三种养护方式制备了不同配合比的试件。首先,测试了上述水泥基材料在不同龄期时的力学性能,并基于低场核磁共振（Low-field nuclear magnetic resonance,LF-NMR）等技术对其微观结构进行了表征,采用称重法测试了其毛细吸水性能和孔隙度。最后,对特定龄期的试件开展了冻融循环试验,并研究了其冻融损伤后的力学、毛细吸水性能及微结构特征。相关研究成果能够为不同工况下水泥基材料养护方式的选择提供参考,并为寒冷地区建筑物的寿命预测提供理论支撑。本文的主要研究成果概况如下: （1）标准养护条件下,普通水泥砂浆的力学性能随龄期的增长而显著提升;低温养护试件的力学性能始终较差且增长缓慢,28 d的抗压强度仅为同龄期标养试件的42%～67%;蒸养试件前7 d的力学性能发展迅速,但28 d时较7 d略有倒缩。三种养护条件下,普通水泥砂浆的力学性能均随水灰比的降低而提升。标养FRCC的抗压强度及动弹性模量随龄期的增长显著提高;玄武岩纤维增强水泥基复合材料（Basalt fiber reinforced cementitious composites,BFRCC）的抗折强度随龄期的增长显著提升,聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料（Polyvinyl alcohol fiber reinforced cementitious composites,PVAFRCC）的抗折强度随龄期的增长提升不显著。低温养护FRCC的抗压强度和动弹性模量较低,随龄期的增长缓慢提升;低温对BFRCC的抗折强度影响显著但对PVAFRCC的抗折强度影响较小。蒸养FRCC的力学性能在3 d时达到较高水平,之后无明显提升。 （2）标养普通水泥砂浆的毛细吸水系数与孔隙度均随龄期的增长而显著降低,孔径明显细化;低温养护试件的毛细吸水系数与孔隙度则始终较高,随龄期的增长略有下降,孔径细化不显著;蒸养试件的毛细吸水系数和孔隙度在前7 d较低,28 d时略有增大,孔径在7 d后有粗化的趋势。就其早期硬化过程而言:85℃养护试件的T2谱在前6 h快速演化,25℃养护试件的T2谱在前12 h演化较为明显,3℃养护试件的T2谱演化速度最慢。养护条件及龄期一定时,普通水泥砂浆的水灰比越低,毛细吸水系数和孔隙度也越低,T2谱演化速度越慢。标养FRCC的毛细吸水系数和孔隙度随龄期的增长而明显下降;低温养护试件的毛细吸水系数和孔隙度则始终最高;蒸养FRCC的毛细吸水系数和孔隙度始终显著低于其他条件养护的试件,且受龄期影响较小。就其早期硬化过程而言:85℃养护试件的T2谱演化速度最快,25℃养护试件次之,3℃养护试件在48 h内缓慢演化。 （3）冻融循环作用下,低温养护普通水泥砂浆的力学性能劣化速度和毛细吸水系数提升速度最快,蒸养试件次之,标养试件最慢。降低水灰比可显著提升普通水泥砂浆的抗冻性能:水灰比由0.6、0.5降至0.4时,其力学性能的劣化速度大幅下降。冻融损伤后,普通水泥砂浆T2谱的中、大孔信号量均显著增加,孔径明显粗化。对于FRCC:相同冻融循环次数下,蒸养试件力学性能的劣化程度较标养试件更低;低温养护试件力学性能的劣化速度最快。随着冻融循环次数的增加,标养FRCC的毛细吸水系数和孔隙度仅略有增大,蒸养试件毛细吸水系数和孔隙度始终较低,低温养护试件的毛细吸水系数和孔隙度显著增大。

关键词： 碳纤维增强聚醚酮酮复合材料   力学性能   电磁屏蔽性能   磺化聚醚酮酮   二维过渡金属碳化物   碳纳米管  

摘要： 碳纤维增强热塑性树脂基复合材料（CFRTP）具有高强度、抗冲击、成型周期短和可回收等优点,是我国航空航天、新能源等高端制造业未来发展亟需的关键战略材料。近年来,随着CFRTP在航空航天等领域的应用由单纯的结构材料向结构功能一体化材料逐渐扩大,在要求复合材料轻质、高强和抗冲击等的同时,对其电磁屏蔽效能（EMI SE）提出了更高的要求。碳纤维增强聚醚酮酮（CF/PEKK）复合材料作为CFRTP的典型代表,具有非常高的强度、韧性以及耐高温性能,在航空航天领域逐渐得到广泛关注。然而,碳纤维（CF）和聚醚酮酮（PEKK）树脂之间的界面结合较弱,同时PEKK基体的本征电导率较低,使得CF/PEKK复合材料界面等力学性能和电磁屏蔽性能较低,还无法满足航空航天领域的需求。 本论文设计开发了水性磺化聚醚酮酮（SPEKK）上浆剂、水性T3C2TX（MXene）上浆剂、静电自组装氨基化MXene（MXene-NH2）和SPEKK等一系列CF上浆剂和界面改性方法,并采用MXene-NH2处理CF表面与碳纳米管（CNT）填充PEKK树脂共同在复合材料中构筑导电网络结构,提升了CF/PEKK复合材料的力学性能和电磁屏蔽性能,并对其机理进行了探讨;基于CF/PEKK复合材料的抗冲击性能,系统地研究了二次模压成型工艺对CF/PEKK复合材料的凝聚态结构、力学性能以及电磁屏蔽性能的影响,分析了其内在机理。主要研究内容和结果如下: （1）水性SPEKK上浆剂改善CF/PEKK复合材料的力学性能研究。针对CF和PEKK之间较弱的界面结合以及上浆剂的环保需求,通过PEKK磺化反应制备了水性SPEKK上浆剂,用于CF的表面处理,并通过模压成型工艺制备了CF/PEKK复合材料。研究发现,当SPEKK浓度为0.5 wt%时,CF/PEKK复合材料的力学性能最优,其弯曲强度、弯曲模量和层间剪切强度（ILSS）分别达到了1237 MPa、78.00 GPa和92 MPa,比未改性CF/PEKK（BCF/PEKK）复合材料的分别高出41.0%、5.1%和33.3%。力学性能的提升可能是由于SPEKK与CF之间的氢键、π-π相互作用,以及与PEKK树脂基体之间的π-π相互作用、分子间扩散和缠结等增强了CF和PEKK的界面结合。 （2）水性MXene提高CF/PEKK复合材料的电磁屏蔽和力学性能研究。针对CF和PEKK之间较差的导电性和界面结合,采用水性MXene对CF进行表面改性,然后通过模压成型工艺制备了CF/PEKK复合材料。研究发现,当MXene浓度为0.1 mg/m L时,CF/PEKK复合材料的EMI SE达到了48.3 d B。此时,CF/PEKK复合材料的弯曲强度、弯曲模量和ILSS分别为1127 MPa、81.46 GPa和89 MPa。电磁屏蔽性能的增强可能是由于MXene显著提升了CF/PEKK复合材料对电磁波的欧姆损耗和偶极子极化损耗。 （3）静电自组装MXene-NH2和SPEKK协同提升CF/PEKK复合材料的力学和电磁屏蔽性能研究。为了进一步提升MXene改性CF/PEKK复合材料的力学性能,将带正电荷的MXene-NH2与带负电荷的SPEKK通过静电吸附依次组装在带负电荷的CF表面,并通过模压成型工艺制备了CF/PEKK复合材料。结果表明,MXene-NH2和SPEKK协同改性CF/PEKK复合材料的弯曲强度、弯曲模量和ILSS分别达到了1233 MPa、86.47 GPa和92 MPa,比BCF/PEKK复合材料的分别高出40.6%、16.6%和33.3%。同时,改性后CF/PEKK复合材料的EMI SE也提升至44.6d B。力学性能的提高可能是由于MXene-NH2与CF、SPEKK之间的静电吸附、氢键和机械互锁,以及SPEKK与PEKK之间的π-π相互作用、分子间扩散和缠结的综合效应,增强了CF与PEKK的界面结合。 （4）MXene-NH2和CNT协同改善CF/PEKK复合材料的电磁屏蔽和力学性能研究。为了进一步提升MXene-NH2改性CF/PEKK复合材料的电磁屏蔽性能,在PEKK中添加CNT,通过模压成型工艺制备了CF/PEKK复合材料。结果表明,当CNT比PEKK为8 wt%时,CF/PEKK复合材料的电磁屏蔽和力学性能最优。然后,结合PEKK中添加CNT与MXene-NH2改性CF表面,通过模压成型工艺制备了CF/PEKK复合材料。研究发现,MXene-NH2和CNT协同改性CF/PEKK（0.1MN@CF/8CNT@PEKK）复合材料的EMI SE高达76.5 d B。此时,弯曲强度、弯曲模量和ILSS分别为1236 MPa、85.64 GPa和91 MPa。电磁屏蔽性能的提升可能是因为MXene-NH2和CNT协同在