碳纤维增强水泥基复合材料的制备及其性能研究

孙杰，魏树梅

（内蒙古建筑职业技术学院，内蒙古 呼和浩特 010050）

0 引言

水泥是一种绝缘材料，可以通过与其它材料共混使其具有一定导电性能[1]。碳纤维具有高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀、抗疲劳、抗蠕变、质量轻和导电性好等特点，在水泥基体中添加短切碳纤维可以制备出碳纤维增强水泥基（CFRC）复合材料[2]。适量碳纤维掺到水泥基体中，不仅可以提高CFRC复合材料的拉伸塑性、粘结强度、弯曲强度和韧性，而且能够减小CFRC的干燥收缩，从而实现在较大范围内调整CFRC的电阻率。其具有包括压敏性、热电效应、焦耳效应、比热容高、导热系数低、导电性好、耐蚀性好、热电性能和耐高温等优异性能[2-7]。有研究表明[8-12]，随着碳纤维掺量增加，材料的导电性能有所提高，但碳纤维掺量过高时，空隙率较大，会影响CFRC复合材料的力学性能。

本实验采用两步法制备了碳纤维分散均匀的CFRC复合材料。利用扫描电镜、电阻测试仪和电子万能试验机研究了碳纤维掺量、长度和成型工艺对CFRC复合材料力学性能和电学性能的影响。

1 实验

1.1 原材料

聚丙烯腈基短切碳纤维：上海和伍复合材料科技有限公司，长度分别为4、7、10 mm，主要性能指标见表1。水泥：冀东水泥有限公司的P·C32.5水泥，符合GB 175—2007要求。分散剂：山东雨田化工有限公司生产的羟乙基纤维素，黏度为30 Pa·s。硅粉：300目，纯度 99.7%，粒径 0.01～0.1 μm，洛阳汇矽微硅粉有限公司。萘磺酸盐减水剂：郑州聚力化工产品有限公司，灰色粉状物，减水率为15%～25%。标准砂：厦门艾思欧标准砂有限公司生产的ISO标准砂。消泡剂：佛山市南海大田化学有限公司生产的液体磷酸三丁酯。

表1 短切碳纤维的主要性能指标

1.2 CFRC样品的制备

本实验水灰比为0.3～0.5，碳纤维掺量按占水泥质量计，分散剂和硅粉掺量分别为水泥质量的0.6%、5%。

为了使碳纤维在水泥基体中实现连续良好的分散，本实验加入超细颗粒尺寸的硅粉，其粒径远小于碳纤维的直径，在复合材料体系中起到填充作用，有效促进了碳纤维在复合体系中均匀的分布。另一方面，加入分散剂羟乙基纤维素提高了液相的密度和黏度，降低了碳纤维团聚的趋势。同时，它附着在碳纤维表面形成一层溶水膜，增加了碳纤维的润湿性，阻止碳纤维发生缠绕和团聚，保证了碳纤维分散成单丝。采用两步法分散碳纤维：第一步是把碳纤维分散到水溶液中，并在水溶液中加入分散剂；第二步是把第一步溶液倒入固体混合物（硅粉、水泥、标准砂、萘磺酸盐减水剂以及其它添加剂）中，搅拌速度快慢交替。可制得分散性良好的CFRC复合材料。

成型160 mm×40 mm×40 mm 和 40 mm×40 mm×40 mm 的试样，分别进行弯曲强度和抗压强度测试。然后在40 mm×40 mm×40 mm试样两端嵌入薄铜片（50 mm×10 mm）作为电极，将样品在21℃、相对湿度≥96%条件下养护24 h脱模，然后再养护至28 d，进行电学性能测试。振动压实样品采用河北晟兴仪器设备有限公司的ZY-6型振动压实成型机进行制备，静压力设定为1500 N，激振力设定为4000 N，振动频率设定为25 Hz。

1.3 性能测试方法

抗压强度和抗弯强度：按照GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》进行测试；用型号为AT515精密直流电阻测试仪直接连接样品两端的电极进行测试，测得电阻，计算电阻率；利用日立S4800扫描电子显微镜观察CFRC样品断裂面的微观结构。

2 结果与讨论

2.1 CFRC复合材料内碳纤维分散均匀性分析

碳纤维长度为10 mm、掺量为0.6%的CFRC复合材料断裂面微观形貌如图1所示。

图1 CFRC复合材料断裂面的微观形貌

由图1可以看出，碳纤维均匀地分散在水泥基体中，且呈单丝嵌入状态，没有产生团簇或缠绕，而是彼此接触，形成导电网络，从而提高复合材料的力学和电学性能。

2.2 CFRC复合材料的力学性能

碳纤维长度为10 mm时，碳纤维掺量对CFRC复合材料弯曲强度和抗压强度的影响分别见表2、表3。

表2 碳纤维掺量对CFRC复合材料弯曲强度的影响

表3 碳纤维掺量对CFRC复合材料抗压强度的影响

由表2可以看出，随着碳纤维掺量的增加，CFRC复合材料的弯曲强度呈线性提高。这是因为碳纤维具有增强和增韧的作用，可以阻止微裂纹的形成和扩展。

由表3可以看出，随碳纤维掺量的增加，CFRC复合材料的抗压强度先提高后降低，抗压强度最大提高了22.6%。这是因为当碳纤维掺量低于0.6%时，其增强作用使得抗压强度提高；而当掺量过高时，碳纤维在水泥基体中很难均匀分散，发生团聚，使得抗压强度降低。同时，碳纤维掺量过高，搅拌时间延长，会在基体中产生更多的气泡，也会导致抗压强度降低。

2.3 碳纤维长度和掺量对CFRC复合材料导电性的影响（见图1）

图1 碳纤维掺量和长度对CFRC复合材料电阻率的影响

由图1可见，当碳纤维掺量在0～0.2%时，复合材料的电阻率急剧下降，与未掺碳纤维的相比，碳纤维掺量为0.2%时，掺4、7、10 mm碳纤维的分别下降了27.2%、33.0%、44.7%。当碳纤维掺量在0.2%～0.3%时，复合材料的电阻率下降缓慢，对7 mm长度的碳纤维来说电阻率变化不明显。当碳纤维掺量在0.3%～0.6%时，电阻率随着碳纤维掺量的增加又急剧下降，与碳纤维掺量为0.4%的相比，碳纤维掺量为0.6%时，掺4、7、10 mm碳纤维的分别下降了88.1%、83.9%、79.6%。当碳纤维掺量超过0.6%以后，碳纤维掺量和长度对复合材料的电阻率影响不大。说明当碳纤维掺量未超过0.6%时，随碳纤维掺量的增加，复合材料电阻率呈下降趋势。同时，碳纤维长度越长，电阻率降低幅度越大，与掺4 mm碳纤维的相比，碳纤维掺量为0.4%时，掺7、10 mm碳纤维的分别下降了34.4%、56.3%。

CFRC材料的电导率主要依靠隧道效应，它形成于水泥基体中无序分散、相互叠加的碳纤维之间和水泥薄片层隔开的相邻碳纤维间[13-14]。在CFRC复合材料中，存在大量相互连接的毛细管通道，其中含有孔隙水。当碳纤维含量比较低时，主要靠2种方式实现导电：一种是离子在水泥基体中的内部孔隙水中自由移动，另一种是载流子通过隧道效应在导电碳纤维中移动。完成这一过程需要一定的时间，因此出现了电阻率缓慢下降的阶段。

通过本实验还可以发现，当碳纤维掺量相同时，10 mm长的碳纤维电阻率比4 mm和7 mm长度碳纤维要小。在碳纤维掺量较低时，纤维长度给电阻率带来的影响更为明显。当碳纤维掺量超过0.6%后，纤维长度给电阻率带来的影响逐渐减少。因为导电网络完全形成，很难再依靠增加碳纤维的掺量使电阻率明显下降，电阻率趋于一个极限。碳纤维长度对CFRC导电性的影响主要取决于碳纤维在复合材料中的重叠程度。碳纤维越长，越容易形成叠加的导电网络，沿着网络的导电性越好，所以电阻率越小。

2.4 成型工艺对CFRC复合材料电阻率的影响

碳纤维长度为10 mm，掺量分别为0.2%、0.4%时，成型工艺对CFRC复合材料电阻率的影响见表4。

表4 成型工艺对CFRC复合材料电阻率的影响

从表4可以看出：碳纤维掺量为0.2%时，采用振动压实法比采用振动法制备的CFRC复合材料平均电阻率降低66.7%。碳纤维掺量0.4%时，采用振动压实法比采用振动法制备的复合材料平均电阻率降低了59.8%。致密化过程同样会影响CFRC样品的电阻率。当加入一定量的碳纤维，采用振动压实法制备的复合材料与采用振动法制备的复合材料相比，前者的电阻率小很多。在振动压实过程中，施加压力把混合物中的水排出，形成的硬化水泥浆料更加致密。碳纤维的距离缩短、叠加程度增加、孔隙率降低，因此电导率高，电阻率低。在压力作用下，碳纤维和水泥浆料之间的接触也能够使电阻降低。另外，碳纤维之间的距离缩短会改变水泥浆体中的游离离子和碳纤维电子的导电模式。因此，大大提高了CFRC的电导率。

3 结论

（1）微观分析结果表明，采用二步法，碳纤维可均匀地分散在水泥基体中，且呈单丝嵌入状态，并彼此接触形成导电网络，从而提高CFRC复合材料的力学性能和电学性能。

（2）随着碳纤维掺量的增加，CFRC复合材料的弯曲强度呈线性提高，而抗压强度先提高后降低，抗压强度最大提高了22.6%。

（3）导电性能测试结果表明，碳纤维越长、掺量越大，材料的电阻率越小，即导电性能越好。采用振动压实法成型试件，更有利于提高CFRC复合材料的导电率。碳纤维掺量为0.2%时，采用振动压实法比采用振动法制备的CFRC复合材料平均电阻率降低66.7%。碳纤维掺量0.4%时CFRC复合材料平均电阻率降低了59.8%。