孫杰，魏樹梅

（內(nèi)蒙古建筑職業(yè)技術(shù)學院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010050）

0 引言

水泥是一種絕緣材料，可以通過與其它材料共混使其具有一定導電性能[1]。碳纖維具有高強度、高模量、耐高溫、耐腐蝕、抗疲勞、抗蠕變、質(zhì)量輕和導電性好等特點，在水泥基體中添加短切碳纖維可以制備出碳纖維增強水泥基（CFRC）復合材料[2]。適量碳纖維摻到水泥基體中，不僅可以提高CFRC復合材料的拉伸塑性、粘結(jié)強度、彎曲強度和韌性，而且能夠減小CFRC的干燥收縮，從而實現(xiàn)在較大范圍內(nèi)調(diào)整CFRC的電阻率。其具有包括壓敏性、熱電效應、焦耳效應、比熱容高、導熱系數(shù)低、導電性好、耐蝕性好、熱電性能和耐高溫等優(yōu)異性能[2-7]。有研究表明[8-12]，隨著碳纖維摻量增加，材料的導電性能有所提高，但碳纖維摻量過高時，空隙率較大，會影響CFRC復合材料的力學性能。

本實驗采用兩步法制備了碳纖維分散均勻的CFRC復合材料。利用掃描電鏡、電阻測試儀和電子萬能試驗機研究了碳纖維摻量、長度和成型工藝對CFRC復合材料力學性能和電學性能的影響。

1 實驗

1.1 原材料

聚丙烯腈基短切碳纖維：上海和伍復合材料科技有限公司，長度分別為4、7、10 mm，主要性能指標見表1。水泥：冀東水泥有限公司的P·C32.5水泥，符合GB 175—2007要求。分散劑：山東雨田化工有限公司生產(chǎn)的羥乙基纖維素，黏度為30 Pa·s。硅粉：300目，純度 99.7%，粒徑 0.01～0.1 μm，洛陽匯矽微硅粉有限公司。萘磺酸鹽減水劑：鄭州聚力化工產(chǎn)品有限公司，灰色粉狀物，減水率為15%～25%。標準砂：廈門艾思歐標準砂有限公司生產(chǎn)的ISO標準砂。消泡劑：佛山市南海大田化學有限公司生產(chǎn)的液體磷酸三丁酯。

表1 短切碳纖維的主要性能指標

1.2 CFRC樣品的制備

本實驗水灰比為0.3～0.5，碳纖維摻量按占水泥質(zhì)量計，分散劑和硅粉摻量分別為水泥質(zhì)量的0.6%、5%。

為了使碳纖維在水泥基體中實現(xiàn)連續(xù)良好的分散，本實驗加入超細顆粒尺寸的硅粉，其粒徑遠小于碳纖維的直徑，在復合材料體系中起到填充作用，有效促進了碳纖維在復合體系中均勻的分布。另一方面，加入分散劑羥乙基纖維素提高了液相的密度和黏度，降低了碳纖維團聚的趨勢。同時，它附著在碳纖維表面形成一層溶水膜，增加了碳纖維的潤濕性，阻止碳纖維發(fā)生纏繞和團聚，保證了碳纖維分散成單絲。采用兩步法分散碳纖維：第一步是把碳纖維分散到水溶液中，并在水溶液中加入分散劑；第二步是把第一步溶液倒入固體混合物（硅粉、水泥、標準砂、萘磺酸鹽減水劑以及其它添加劑）中，攪拌速度快慢交替?？芍频梅稚⑿粤己玫腃FRC復合材料。

成型160 mm×40 mm×40 mm 和 40 mm×40 mm×40 mm 的試樣，分別進行彎曲強度和抗壓強度測試。然后在40 mm×40 mm×40 mm試樣兩端嵌入薄銅片（50 mm×10 mm）作為電極，將樣品在21℃、相對濕度≥96%條件下養(yǎng)護24 h脫模，然后再養(yǎng)護至28 d，進行電學性能測試。振動壓實樣品采用河北晟興儀器設備有限公司的ZY-6型振動壓實成型機進行制備，靜壓力設定為1500 N，激振力設定為4000 N，振動頻率設定為25 Hz。

1.3 性能測試方法

抗壓強度和抗彎強度：按照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO法）》進行測試；用型號為AT515精密直流電阻測試儀直接連接樣品兩端的電極進行測試，測得電阻，計算電阻率；利用日立S4800掃描電子顯微鏡觀察CFRC樣品斷裂面的微觀結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)果與討論

2.1 CFRC復合材料內(nèi)碳纖維分散均勻性分析

碳纖維長度為10 mm、摻量為0.6%的CFRC復合材料斷裂面微觀形貌如圖1所示。

圖1 CFRC復合材料斷裂面的微觀形貌

由圖1可以看出，碳纖維均勻地分散在水泥基體中，且呈單絲嵌入狀態(tài)，沒有產(chǎn)生團簇或纏繞，而是彼此接觸，形成導電網(wǎng)絡，從而提高復合材料的力學和電學性能。

2.2 CFRC復合材料的力學性能

碳纖維長度為10 mm時，碳纖維摻量對CFRC復合材料彎曲強度和抗壓強度的影響分別見表2、表3。

表2 碳纖維摻量對CFRC復合材料彎曲強度的影響

表3 碳纖維摻量對CFRC復合材料抗壓強度的影響

由表2可以看出，隨著碳纖維摻量的增加，CFRC復合材料的彎曲強度呈線性提高。這是因為碳纖維具有增強和增韌的作用，可以阻止微裂紋的形成和擴展。

由表3可以看出，隨碳纖維摻量的增加，CFRC復合材料的抗壓強度先提高后降低，抗壓強度最大提高了22.6%。這是因為當碳纖維摻量低于0.6%時，其增強作用使得抗壓強度提高；而當摻量過高時，碳纖維在水泥基體中很難均勻分散，發(fā)生團聚，使得抗壓強度降低。同時，碳纖維摻量過高，攪拌時間延長，會在基體中產(chǎn)生更多的氣泡，也會導致抗壓強度降低。

2.3 碳纖維長度和摻量對CFRC復合材料導電性的影響（見圖1）

圖1 碳纖維摻量和長度對CFRC復合材料電阻率的影響

由圖1可見，當碳纖維摻量在0～0.2%時，復合材料的電阻率急劇下降，與未摻碳纖維的相比，碳纖維摻量為0.2%時，摻4、7、10 mm碳纖維的分別下降了27.2%、33.0%、44.7%。當碳纖維摻量在0.2%～0.3%時，復合材料的電阻率下降緩慢，對7 mm長度的碳纖維來說電阻率變化不明顯。當碳纖維摻量在0.3%～0.6%時，電阻率隨著碳纖維摻量的增加又急劇下降，與碳纖維摻量為0.4%的相比，碳纖維摻量為0.6%時，摻4、7、10 mm碳纖維的分別下降了88.1%、83.9%、79.6%。當碳纖維摻量超過0.6%以后，碳纖維摻量和長度對復合材料的電阻率影響不大。說明當碳纖維摻量未超過0.6%時，隨碳纖維摻量的增加，復合材料電阻率呈下降趨勢。同時，碳纖維長度越長，電阻率降低幅度越大，與摻4 mm碳纖維的相比，碳纖維摻量為0.4%時，摻7、10 mm碳纖維的分別下降了34.4%、56.3%。

CFRC材料的電導率主要依靠隧道效應，它形成于水泥基體中無序分散、相互疊加的碳纖維之間和水泥薄片層隔開的相鄰碳纖維間[13-14]。在CFRC復合材料中，存在大量相互連接的毛細管通道，其中含有孔隙水。當碳纖維含量比較低時，主要靠2種方式實現(xiàn)導電：一種是離子在水泥基體中的內(nèi)部孔隙水中自由移動，另一種是載流子通過隧道效應在導電碳纖維中移動。完成這一過程需要一定的時間，因此出現(xiàn)了電阻率緩慢下降的階段。

通過本實驗還可以發(fā)現(xiàn)，當碳纖維摻量相同時，10 mm長的碳纖維電阻率比4 mm和7 mm長度碳纖維要小。在碳纖維摻量較低時，纖維長度給電阻率帶來的影響更為明顯。當碳纖維摻量超過0.6%后，纖維長度給電阻率帶來的影響逐漸減少。因為導電網(wǎng)絡完全形成，很難再依靠增加碳纖維的摻量使電阻率明顯下降，電阻率趨于一個極限。碳纖維長度對CFRC導電性的影響主要取決于碳纖維在復合材料中的重疊程度。碳纖維越長，越容易形成疊加的導電網(wǎng)絡，沿著網(wǎng)絡的導電性越好，所以電阻率越小。

2.4 成型工藝對CFRC復合材料電阻率的影響

碳纖維長度為10 mm，摻量分別為0.2%、0.4%時，成型工藝對CFRC復合材料電阻率的影響見表4。

表4 成型工藝對CFRC復合材料電阻率的影響

從表4可以看出：碳纖維摻量為0.2%時，采用振動壓實法比采用振動法制備的CFRC復合材料平均電阻率降低66.7%。碳纖維摻量0.4%時，采用振動壓實法比采用振動法制備的復合材料平均電阻率降低了59.8%。致密化過程同樣會影響CFRC樣品的電阻率。當加入一定量的碳纖維，采用振動壓實法制備的復合材料與采用振動法制備的復合材料相比，前者的電阻率小很多。在振動壓實過程中，施加壓力把混合物中的水排出，形成的硬化水泥漿料更加致密。碳纖維的距離縮短、疊加程度增加、孔隙率降低，因此電導率高，電阻率低。在壓力作用下，碳纖維和水泥漿料之間的接觸也能夠使電阻降低。另外，碳纖維之間的距離縮短會改變水泥漿體中的游離離子和碳纖維電子的導電模式。因此，大大提高了CFRC的電導率。

3 結(jié)論

（1）微觀分析結(jié)果表明，采用二步法，碳纖維可均勻地分散在水泥基體中，且呈單絲嵌入狀態(tài)，并彼此接觸形成導電網(wǎng)絡，從而提高CFRC復合材料的力學性能和電學性能。

（2）隨著碳纖維摻量的增加，CFRC復合材料的彎曲強度呈線性提高，而抗壓強度先提高后降低，抗壓強度最大提高了22.6%。

（3）導電性能測試結(jié)果表明，碳纖維越長、摻量越大，材料的電阻率越小，即導電性能越好。采用振動壓實法成型試件，更有利于提高CFRC復合材料的導電率。碳纖維摻量為0.2%時，采用振動壓實法比采用振動法制備的CFRC復合材料平均電阻率降低66.7%。碳纖維摻量0.4%時CFRC復合材料平均電阻率降低了59.8%。