高性能碳納米管/水泥基機敏材料的構(gòu)筑及性能研究結(jié)題摘要

水泥混凝土結(jié)構(gòu)是目前世界上最為常用的一種結(jié)構(gòu)形式，其生命周期長達數(shù)十年，甚至上百年。在生命周期的全過程中，其可靠性至關(guān)重要，一旦失事，將會產(chǎn)生嚴(yán)重的后果，造成重大的人員傷亡和經(jīng)濟損失。提高水泥混凝土的物理力學(xué)性能、實現(xiàn)其智能特性（如壓～阻效應(yīng)），可以避免因為結(jié)構(gòu)失效而造成的經(jīng)濟損失和人員傷亡，具有重要的科學(xué)意義和社會經(jīng)濟效益。 材料領(lǐng)域的研究表明，在水泥基材料中加入適量的碳納米管后具有優(yōu)越的抗裂能力和極限承受能力，并具有壓～阻效應(yīng)。由于具有這樣的特性，碳納米管/水泥基材料有望提高建筑結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性，并實現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)的智能監(jiān)測。但是碳納米管/水泥基材料目前依然存在“瓶頸”問題：1）導(dǎo)電介質(zhì)難以分散，即使借用化學(xué)助劑和超聲工藝，也無法得到均勻結(jié)構(gòu)；2）導(dǎo)電介質(zhì)與水泥基材料的界面性能尚不理想，物理力學(xué)性能尚待提升；3）機敏性能重復(fù)性差、穩(wěn)定性差、離散性大，難以用于實際工程。 本項目的主要研究目的就是解決上述瓶頸問題，為碳納米管水泥基材料的工程應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。本項目首先采用化學(xué)力驅(qū)散碳納米管并改善界面性能，并利用互穿網(wǎng)絡(luò)聚合物膜，提高碳納米管水泥基材料的均勻性、穩(wěn)定性并降低造價。本項目研究表明，通過合理構(gòu)筑后，在水泥基材料中加入極少量的碳納米管后具有優(yōu)越的抗裂能力和極限承受能力，其極限抗壓強度、抗折強度、斷裂韌性合斷裂能分別可以提高53%，101%，100%和344%。并且，碳納米管水泥基材料還具有顯著的壓～阻效應(yīng)，在15kN的壓力時電阻變化率可達25%。尤為重要的是，經(jīng)過本項目的研究，碳納米管水泥基材料還可以有效保護鋼筋，防止混凝土開裂破壞。快速測試表明，碳納米管改性鋼筋混凝土的開裂時間比普通混凝土提高了60%以上，鋼筋質(zhì)量損失降低97%。由于具有這樣的特性，碳納米管水泥基材料有望在提高混凝土建筑結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性、實現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)的智能監(jiān)測、提高鋼筋混凝土耐腐蝕性等方面發(fā)揮重要作用，應(yīng)用前景廣泛。 2100433B

碳納米管具備超強力學(xué)性能、極高的縱橫比、良好的導(dǎo)電性能及能無損改性等優(yōu)點，有望顯著提高水泥基材料的強度、耐久性和安全性能，并在傳感應(yīng)用方面發(fā)揮重要作用（感應(yīng)能力超過金屬應(yīng)變片），已經(jīng)成為國內(nèi)外研究熱點。 目前，國際上在碳納米管/水泥基材料的制備和應(yīng)用上遇到了瓶頸問題：碳納米管分散困難，界面作用力弱，均勻性差、穩(wěn)定性差。 本項目將研究：1）采用化學(xué)力驅(qū)散碳納米管并改善界面性能；2）利用互穿網(wǎng)絡(luò)聚合物膜，提高均勻性、穩(wěn)定性并降低造價；3）利用滲流原理和正交設(shè)計方法，確定合理配比和工藝流程；4）系統(tǒng)研究宏微觀性能，建立界面微細(xì)觀結(jié)構(gòu)模型，探討作用機理；5）研究力、電響應(yīng)和斷裂性能之間的相互關(guān)系，確定由電性能變化特征來衡量結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力水平與損傷狀況的方法和理論。最終得到一種高性能碳納米管/水泥基機敏材料及一套能用于實際工程的混凝土結(jié)構(gòu)智能監(jiān)測系統(tǒng)，并深入探討科學(xué)機理。

《高性能耐磨銅基復(fù)合材料的制備與性能研究》由王德寶、吳玉程著。通過SEM、XRD、TEM和其他實驗檢測儀器對粉末的機械合金化過程，復(fù)合材料的微觀組織特征以及機械、物理和摩擦磨損性能進行了系統(tǒng)研究，為拓展新型高性能銅基復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域打下堅實的基礎(chǔ)。

本項目采用微粒與細(xì)絲，組成與工藝雙重和多重復(fù)合新技術(shù)配制了抗壓強度>350MPa，折壓比<1：3的超高性能水泥基復(fù)合材料；纖維混雜與微膨脹復(fù)合增強的超耐久水泥基復(fù)合材料；性能先進的特種SIFCON材料，首次通過靶體試驗揭示了該材料具有優(yōu)異的遮彈與防護特性。通過宏觀行為與微觀結(jié)構(gòu)的剖析提出了產(chǎn)生高與超高性能的機理。綜合運用概率斷裂力學(xué)、愈滲和分形理論，在國內(nèi)外首次提出反映孔結(jié)構(gòu)及其隨機性的水泥基強度模型。在深層次剖析界面層強化、消失與再強化基礎(chǔ)上，通過力學(xué)模型的建立和有限元分析，創(chuàng)造性的提出了定量計算界面效應(yīng)范圍及其隨機疊加強化的科學(xué)方法，發(fā)展了界面理論，為加速超高性能低成本水泥基復(fù)合材料的發(fā)展提供了重要理論依據(jù)。 2100433B