專利名稱：碳納米管/水泥自增強阻尼復合材料的制備及阻尼比測試方法
技術領域：
本發(fā)明涉及水泥自增強阻尼復合材料的制備及阻尼比測試方法。
技術背景如今高剛度、高強度、高阻尼是未來建筑材料發(fā)展的一個重要方向，水泥 基混凝土材料作為使用最廣、用量最大的傳統(tǒng)建筑材料之一，強度性能和阻尼 性能是其兩個重要的力學指標。目前在水泥基材中添加各種聚合物與高性能增 強纖維，來提高強度性能和阻尼性能，但是所得材料的阻尼比依然較低，最高阻尼比為0.055。碳納米管(CNTs)是迄今為止最輕質(zhì)高強的中空多壁管狀纖維， 它的力學性能極高，它的拉伸強度達到50 200GPa，比鋼的高100倍，而密 度卻只有鋼的l/6;其韌性也高，理論延伸率可達20，彈性應變可達5%以上。 它的電學性能也很優(yōu)異，其導電性可根據(jù)其結構而呈金屬性或半導體性。碳納 米管已被用來增強各種基體材料。事實上，碳納米管與水泥的良好復合可以實 現(xiàn)組元材料的優(yōu)勢互補或加強，能大幅度改善水泥基的諸如強度，彈性，韌性 等力學性能和電磁學性能等。然而，納米級纖維碳納米管不僅加工性能很差，而且具有很高的表面自由 能與長徑比，相互間極易發(fā)生纏繞和團聚，在基體中很難得到均勻分散，與基 體界面間的黏結能力差。目前測試材料阻尼比的方法中，采用粘彈譜儀或動態(tài) 力學分析儀，但其在測試中對試件尺寸要求嚴格，裝置昂貴，測試復雜；采用 懸臂自由振動法，雖然測試裝置簡易、成本低，但目前公認為，在其固定試件 基座處存在的被動耗能，及通過動力響應曲線來計算阻尼比，會導致測試結果 偏小，誤差較大。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明目的是為了解決現(xiàn)有制備的碳納米管/水泥自增強阻尼復合材料中 碳納米管分散不均勻、與基體界面間的黏結能力差、阻尼比低及測試阻尼比的 裝置昂貴、測試復雜或數(shù)據(jù)誤差大的問題，而提供一種碳納米管/水泥自增強 阻尼復合材料的制備及阻尼比測試方法。碳納米管/水泥自增強阻尼復合材料的制備按以下步驟實現(xiàn) 一、將增稠 乳化劑溶于去離子水中配制成質(zhì)量濃度為0.1°/。 15%的連續(xù)相溶液；二、將 碳納米管分散劑、碳纖維分散劑、消泡劑、酸氧化處理過的碳納米管和氧化處 理的碳纖維加入到連續(xù)相溶液中，磁力攪拌后再超聲處理至形成均勻的碳納米 管分散相混合液；三、將水泥摻合料、去離子水、超塑化劑和水泥與聚合物膠 乳混合料依次加入到碳納米管分散相混合液中攪勻，然后再加入消泡劑，得碳 納米管混合槳料；四、將碳納米管混合漿料裝入試模中澆注成型，24h后拆模 再放到相對濕度為95±5%，溫度為22土3-C的養(yǎng)護室中養(yǎng)護到預定的齡期， 即得碳納米管/水泥自增強阻尼復合材料；其中步驟二中碳納米管與碳納米管 分散劑的質(zhì)量比為1 : 0.1 15，碳纖維與碳纖維分散劑的質(zhì)量比為1 : 0.1 1，碳納米管與碳纖維的質(zhì)量比為i : 0.5 10，碳納米管與消泡劑的質(zhì)量比為i :0.05 1.5;步驟三中加入的水泥摻合料與碳納米管的質(zhì)量比為2 100 : 1，加 入的去離子水與碳納米管的質(zhì)量比為20 600:1，加入的超塑化劑與碳納米管的質(zhì)量比為o.i 20 : i，加入的水泥與聚合物膠乳混合料與碳納米管的質(zhì)量比為25 2100 : 1，加入的消泡劑與碳納米管的質(zhì)量比為0.05 2.5 : 1。測試碳納米管/水泥自增強阻尼復合材料阻尼比的方法按以下步驟實現(xiàn)一、在室溫不通風的環(huán)境下，將碳納米管/水泥自增強阻尼復合材料試件兩端通過彈性自由支撐懸掛于一水平鋼桿上形成彈性體系；二、在試件跨中正上面 用橡皮泥粘一加速度計，與帶硬橡膠錘頭的力錘一并連接上數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；三、用帶硬橡膠錘頭的力錘垂直輕擊試件跨中下面，測試碳納米管/水泥自增強阻尼復合材料阻尼比；步驟三中測試是根據(jù)輸入輸出的共振曲線，用半功率帶寬法獲得相應表征碳納米管/水泥自增強阻尼復合材料阻尼性能的損耗因子(tan》或阻尼比。。本發(fā)明中所用碳納米管的中空構造，使其擁有的納米孔洞效應和波動特性 可以實現(xiàn)彈性波和聲波在水泥基材中的強力衰減；通過對碳納米管的強氧化酸 處理的共價功能修飾使碳納米管表面帶有活性親水基團，與水相溶性明顯增 強；通過引入溶膠增稠乳化、分散劑進行非共價功能修飾，使碳納米管包裹于 微膠團中，擁有空間位阻穩(wěn)定性，這樣使具有大比表面積的納米級碳納米管在 水泥基體內(nèi)部各質(zhì)點之間的內(nèi)摩擦能耗散能量；同時，碳納米管作為優(yōu)良的導電纖維，能相互橋聯(lián)搭接形成導電通路，也能將一部分內(nèi)摩擦產(chǎn)生的熱能耗散 掉；碳納米管的引入很好地填充硬化水泥漿體中的細小孔隙或細化大孔隙，加 入的碳纖維更好實現(xiàn)粗細相互填充，優(yōu)勢互補，從而減少水泥漿體的孔隙率， 進而使得硬化水泥漿體更密實，改善了水泥基材料的強度，而且能使其表現(xiàn)出 優(yōu)異的耗能能力，阻尼比高達0.066，比現(xiàn)有技術中所得水泥自增強阻尼復合 材料的阻尼比高20%;本發(fā)明制備的碳納米管/水泥自增強阻尼復合材料中碳 納米管分散均勻、與基體界面間的黏結能力好。本發(fā)明中測試碳納米管/水泥自增強阻尼復合材料阻尼比的方法，所用測 試裝置簡易，成本低，測試方法簡單；構建的彈性體系中只有試件耗散能量， 數(shù)據(jù)結果將真實反映試件耗能能力；對加速度計與力錘的輸入輸出動態(tài)響應共 振區(qū)曲線用半功率帶寬法來獲得試件的阻尼比，很好地規(guī)避了外激勵頻率及噪 聲的干擾，提高了數(shù)據(jù)處理結果的準確性和一致性，誤差小。


圖1為具體實施方式
一中所得碳納米管/水泥自增強阻尼復合材料的掃描 電鏡圖。
具體實施方式
具體實施方式
一本實施方式碳納米管/水泥自增強阻尼復合材料的制備 按以下步驟實現(xiàn) 一、將增稠乳化劑溶于去離子水中配制成質(zhì)量濃度為0.1% 15%的連續(xù)相溶液；二、將碳納米管分散劑、碳纖維分散劑、消泡劑、酸氧化 處理過的碳納米管和氧化處理的碳纖維加入到連續(xù)相溶液中，磁力攪拌后再超 聲處理至形成均勻的碳納米管分散相混合液；三、將水泥摻合料、去離子水、 超塑化劑和水泥與聚合物膠乳混合料依次加入到碳納米管分散相混合液中攪 勻，然后再加入消泡劑，得碳納米管混合漿料；四、將碳納米管混合漿料裝入試模中澆注成型，24h后拆模再放到相對濕度為95±5%，溫度為22土3。C的養(yǎng)護室中養(yǎng)護到預定的齡期，即得碳納米管/水泥自增強阻尼復合材料；其中步驟二中碳納米管與碳納米管分散劑的質(zhì)量比為1 : 0.1 15，碳纖維與碳纖維分散劑的質(zhì)量比為i: o.i i，碳納米管與碳纖維的質(zhì)量比為i : o.5 io,碳納米管與消泡劑的質(zhì)量比為1 : 0.05 1.5;步驟三中加入的水泥摻合料與碳納米管的質(zhì)量比為2 ioo : i，加入的去離子水與碳納米管的質(zhì)量比為20 600 :i，加入的超塑化劑與碳納米管的質(zhì)量比為o.i 20 : i，加入的水泥與聚合物膠乳混合料與碳納米管的質(zhì)量比為25 2100 : 1，加入的消泡劑與碳納米管的 質(zhì)量比為0.05 2.5 : 1。本實施方式中所得碳納米管/水泥自增強阻尼復合材料，由圖1看出，碳 納米管很好地嵌入水泥水化產(chǎn)物中，在基體微觀裂縫間發(fā)揮很好的拔出和橋聯(lián) 搭接效應，從而宏觀上表現(xiàn)出較好的耗能能力，材料阻尼性能增強。
具體實施方式
二本實施方式與具體實施方式
一不同的是步驟一中增稠乳化劑為甲基纖維素、羧甲基纖維素、羧乙基纖維素、壬基酚聚氧乙烯醚乳化劑、阿拉伯膠、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇中的一種或幾種的混合。其它步驟及參 數(shù)與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
三本實施方式與具體實施方式
一不同的是步驟一中將增稠乳化劑溶于去離子水中配制成質(zhì)量濃度為0.5 5%的連續(xù)相溶液。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
四本實施方式與具體實施方式
一不同的是步驟二中步驟二中碳納米管分散劑為十六烷基三甲基溴化銨、十六烷基三甲基氯化銨、壬基酚 聚氧乙烯醚、阿拉伯樹膠粉、胺基硅垸偶聯(lián)劑、聚丙烯酸鈉中的一種或幾種的 混合。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
五本實施方式與具體實施方式
一不同的是步驟二中碳纖維分散劑為甲基纖維素、羧甲基纖維素、羧乙基纖維素中的一種或幾種的混合。 其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
六..本實施方式與具體實施方式
一不同的是步驟二和步驟三 中的消泡劑相同，消泡劑為磷酸三丁酯、聚丙烯酸酯或硅烷酮聚醚。其它步驟 及參數(shù)與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
七本實施方式與具體實施方式
一不同的是步驟二中酸氧化處理過的碳納米管是用王水酸或者氫氟酸與硝酸混合酸浸泡并在60 8(TC下 超聲處理3h，再經(jīng)清洗、過濾和烘干后所得的碳納米管。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
一相同。本實施方式中碳納米管的外直徑為10nm 100nm，長度為lpm 10(^m。
具體實施方式
八本實施方式與具體實施方式
一不同的是步驟二中氧化處理過的碳纖維是用濃度為70%硝酸溶液或濃度為40%氫氧化鈉溶液浸泡并超 聲處理lh以上，經(jīng)清洗、過濾和烘干后所得的碳纖維。其它步驟及參數(shù)與具 體實施方式一相同。本實施方式中碳纖維直徑為7pm，長度為3 6mm的短切聚丙烯腈基碳纖維。
具體實施方式
九本實施方式與具體實施方式
一不同的是步驟三中水泥摻 合料為微米級粒徑I級硅灰、I級粉煤灰、礦渣微粉中的一種或幾種的混合。 其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
十本實施方式與具體實施方式
一不同的是步驟三中超塑化 劑為萘系磺酸鹽甲醛縮合物系高效減水劑、磺化三聚氰胺甲醛樹脂系高效減水 劑、羧酸聚醚酯嵌段共聚物系高效減水劑中的一種或幾種的混合。其它步驟及 參數(shù)與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
十一本實施方式與具體實施方式
一不同的是步驟三中水泥 與聚合物膠乳混合料為水泥與羧基丁苯膠乳、聚醋酸乙烯乳液、苯乙烯-丙烯 酸酯共聚乳液中的一種或幾種的混合；其中水泥與聚合物膠乳的質(zhì)量比為1 : 0.05 0.25。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
十二本實施方式測試碳納米管/水泥自增強阻尼復合材料 阻尼比的方法按以下步驟實現(xiàn) 一、在室溫、不通風的環(huán)境中將碳納米管/水 泥自增強阻尼復合材料試件兩端通過彈性自由支撐懸掛于一水平鋼桿上形成 彈性體系；二、在試件跨中正上面用橡皮泥粘接加速度計，并與帶硬橡膠錘頭 的力錘一并連接上數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；三、用帶硬橡膠錘頭的力錘垂直輕擊試件跨 中下面，測試碳納米管/水泥自增強阻尼復合材料阻尼比；步驟三中測試是根 據(jù)輸入輸出的共振曲線，用半功率帶寬法獲得相應表征碳納米管/水泥自增強 阻尼復合材料阻尼性能的損耗因子(tanc5)或阻尼比^)。本實施方式中測試碳納米管/水泥自增強阻尼復合材料的阻尼比的方法采用具體實施方式
一中制備所得一批6個25x25x280mm的碳納米管/水泥自增 強阻尼復合材料試件，其中3個試件用本實施方式的測試方法測試的共振阻尼 比為0.066±0.0015，另3個試件通過預埋的螺桿加上強粘結膠將其固定懸臂， 用自由振動測試方法測試，測得的共振阻尼比為0.059土0.0028;本發(fā)明中測試碳納米管/水泥自增強阻尼復合材料阻尼比的方法，提高了數(shù)據(jù)處理結果的 準確性和一致性，誤差小。
具體實施方式
十三本實施方式與具體實施方式
十二不同的是步驟一中彈 性自由支撐為橡皮筋、橡皮繩、彈簧、空氣彈簧或螺栓彈簧。其它步驟及參數(shù) 與具體實施方式
十二相同。
具體實施方式
十四本實施方式與具體實施方式
十二不同的是步驟一中兩 端彈性自由支撐的原長與掛上試件后拉伸長度比值為3/4。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
十二相同。
具體實施方式
十五本實施方式與具體實施方式
十二不同的是步驟二中加 速度計為美國Piezotronics公司生產(chǎn)PCB型電容式加速度傳感器、硅壓阻式加 速度傳感器、振動式加速度傳感器或壓電式加速度傳感器。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
十二相同。
具體實施方式
十六本實施方式與具體實施方式
十二不同的是步驟二中數(shù) 據(jù)采集系統(tǒng)為比利時LMS公司生產(chǎn)的LMS SCADAS III型動態(tài)信號數(shù)據(jù)采集 系統(tǒng)、東華DH5935N型動態(tài)信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)或北京波譜WS-3811型動態(tài)信 號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
十二相同。
權利要求
1、碳納米管/水泥自增強阻尼復合材料的制備方法，其特征在于碳納米管/水泥自增強阻尼復合材料的制備按以下步驟實現(xiàn)一、將增稠乳化劑溶于去離子水中配制成質(zhì)量濃度為0.1％～15％的連續(xù)相溶液；二、將碳納米管分散劑、碳纖維分散劑、消泡劑、酸氧化處理過的碳納米管和氧化處理的碳纖維加入到連續(xù)相溶液中，磁力攪拌后再超聲處理至形成均勻的碳納米管分散相混合液；三、將水泥摻合料、去離子水、超塑化劑和水泥與聚合物膠乳混合料依次加入到碳納米管分散相混合液中攪勻，然后再加入消泡劑，得碳納米管混合漿料；四、將碳納米管混合漿料裝入試模中澆注成型，24h后拆模再放到相對濕度為95±5％，溫度為22±3℃的養(yǎng)護室中養(yǎng)護到預定的齡期，即得碳納米管/水泥自增強阻尼復合材料；其中步驟二中碳納米管與碳納米管分散劑的質(zhì)量比為1∶0.1～15，碳纖維與碳纖維分散劑的質(zhì)量比為1∶0.1～1，碳納米管與碳纖維的質(zhì)量比為1∶0.5～10，碳納米管與消泡劑的質(zhì)量比為1∶0.05～1.5；步驟三中加入的水泥摻合料與碳納米管的質(zhì)量比為2～100∶1，加入的去離子水與碳納米管的質(zhì)量比為20～600∶1，加入的超塑化劑與碳納米管的質(zhì)量比為0.1～20∶1，加入的水泥與聚合物膠乳混合料與碳納米管的質(zhì)量比為25～2100∶1，加入的消泡劑與碳納米管的質(zhì)量比為0.05～2.5∶1。
2、 根據(jù)權利要求1所述的碳納米管/水泥自增強阻尼復合材料的制備方法，其特征在于步驟一中增稠乳化劑為甲基纖維素、羧甲基纖維素、羧乙基纖維素、 壬基酚聚氧乙烯醚乳化劑、阿拉伯膠、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇中的一種或 幾種的混合。
3、 根據(jù)權利要求1所述的碳納米管/水泥自增強阻尼復合材料的制備方法，其特征在于步驟二中碳納米管分散劑為十六烷基三甲基溴化銨、十六烷基三甲 基氯化銨、壬基酚聚氧乙烯醚、阿拉伯樹膠粉、胺基硅烷偶聯(lián)劑、聚丙烯酸鈉 中的一種或幾種的混合。
4、 根據(jù)權利要求1所述的碳納米管/水泥自增強阻尼復合材料的制備方法，其特征在于步驟二中碳纖維分散劑為甲基纖維素、羧甲基纖維素、羧乙基纖維 素中的一種或幾種的混合。
5、 根據(jù)權利要求1所述的碳納米管/水泥自增強阻尼復合材料的制備方法，其特征在于步驟二和步驟三中的消泡劑相同，消泡劑為磷酸三丁酯、聚丙烯酸 酯或硅烷酮聚醚。
6、 根據(jù)權利要求1所述的碳納米管/水泥自增強阻尼復合材料的制備方法， 其特征在于步驟二中酸氧化處理過的碳納米管是用王水酸或者氫氟酸與硝酸混合酸浸泡并在60 8(TC下超聲處理3h，再經(jīng)清洗、過濾和烘干后所得的碳 納米管。
7、 根據(jù)權利要求1所述的碳納米管/水泥自增強阻尼復合材料的制備方法， 其特征在于步驟三中水泥摻合料為微米級粒徑I級硅灰、I級粉煤灰、礦渣微 粉中的一種或幾種的混合。
8、 根據(jù)權利要求1所述的碳納米管/水泥自增強阻尼復合材料的制備方法， 其特征在于步驟三中超塑化劑為萘系磺酸鹽甲醛縮合物系高效減水劑、磺化三 聚氰胺甲醛樹脂系高效減水劑、羧酸聚醚酯嵌段共聚物系高效減水劑中的一種 或幾種的混合。
9、 根據(jù)權利要求1所述的碳納米管/水泥自增強阻尼復合材料的制備方法， 其特征在于步驟三中水泥與聚合物膠乳混合料為水泥與羧基丁苯膠乳、聚醋酸 乙烯乳液、苯乙烯-丙烯酸酯共聚乳液中的一種或幾種的混合；其中水泥與聚 合物膠乳的質(zhì)量比為1 : 0.05 0.25。
10、 測試權利要求1所述的碳納米管/水泥自增強阻尼復合材料阻尼比的 方法，其特征在于測試碳納米管/水泥自增強阻尼復合材料阻尼比按以下步驟 實現(xiàn) 一、在室溫、不通風的環(huán)境中將碳納米管/水泥自增強阻尼復合材料試 件兩端通過彈性自由支撐懸掛于一水平鋼桿上形成彈性體系；二、在試件跨中 正上面用橡皮泥粘接加速度計，并與帶硬橡膠錘頭的力錘一并連接上數(shù)據(jù)采集 系統(tǒng)；三、用帶硬橡膠錘頭的力錘垂直輕擊試件跨中下面，測試碳納米管/水 泥自增強阻尼復合材料阻尼比；步驟三中測試是根據(jù)輸入輸出的共振曲線，用 半功率帶寬法獲得相應表征碳納米管/水泥自增強阻尼復合材料阻尼性能的損耗因子(tan"或阻尼比(。。
全文摘要
碳納米管/水泥自增強阻尼復合材料的制備及阻尼比測試方法，它涉及一種水泥自增強阻尼復合材料的制備及阻尼比測試方法。本發(fā)明解決了現(xiàn)有制備的碳納米管/水泥自增強阻尼復合材料中碳納米管分散不均勻、與基體界面間的黏結能力差、阻尼比低及測試阻尼比的裝置昂貴、測試復雜或數(shù)據(jù)誤差大的問題。制備方法將水泥摻合料、去離子水、超塑化劑和水泥與聚合物膠乳混合料依次加入到碳納米管分散相混合液中攪勻除泡，然后裝入試模中澆注成型；拆模，再標準養(yǎng)護至預定齡期，即得碳納米管/水泥自增強阻尼復合材料。測試方法構建彈性體系，將加速度計與力錘連接到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，用力錘垂直輕擊試件，測試阻尼比。
文檔編號C04B14/36GK101239801SQ200810064119
公開日2008年8月13日 申請日期2008年3月14日 優(yōu)先權日2008年3月14日
發(fā)明者段忠東, 羅健林 申請人:哈爾濱工業(yè)大學