（材料学专业论文）碳纤维梯度分布对水泥基材料热应力分布的影响.pdf

摘要 目前水泥基材料己成为应用量最大和使用最广泛的人造建筑材料。随着大量 水泥基材料结构因使用环境、荷载等原因，其使用寿命大幅度降低，特别是道路 混凝土，由于采用撒盐融雪化冰，加速了混凝土的破坏，耐久性较差。碳纤维水 泥基材料是近年来在国内外发展较快的一种新型导电水泥基材料，利用其电热效 应用于道路混凝土的融雪化冰。然而导电水泥基材料中发热层与非发热层之间会 产生热应力，从而引起材料破坏，耐久性下降。本文引入组分梯度的概念，通过 碳纤维梯度分布研究其对水泥基材料力学性能、导电性能及热应力分布的影响， 得到如下结果： ( 1 ) 碳纤维梯度分布，水泥基材料力学性能明显改善：研究结果表明，碳 纤维梯度分布水泥基材料的3 d 和2 8 d 抗折强度显著高于碳纤维均匀分布和层状 分布材料，其中碳纤维掺量为o 3 时，碳纤维梯度分布试件2 8 d 抗折强度与碳 纤维层状分布、均匀分布试件相比分布提高。碳纤维梯度分布对水泥基材料的抗 压强度影响不大。碳纤维水泥基材料的弹性模量随碳纤维掺量的增加而下降，其 泊松比随碳纤维掺量的增加而增加； ( 2 ) 碳纤维梯度分布，水泥基材料导电性能显著提高：当碳纤维掺量为o 3 和o 4 时，碳纤维梯度水泥基材料与均匀分布相比，其导电性能显著提高。 当纤维掺量大于o 8 时，碳纤维梯度分布与均匀相比无明显变化。对不同碳纤 维掺量水泥基材料的热工性能研究结果表明，其热膨胀系数随碳纤维掺量的增加 而降低，导热系数随碳纤维掺量的增加而降低； ( 3 ) 碳纤维梯度分布，水泥基材料热应力分布显著缓和：采用a n s y s 9 0 有限元软件对碳纤维层状分布和梯度分布试件在通电发热下应力场模拟分析表 明，碳纤维层状分布和梯度分布试件应力差( s ) 分别为3 5 1 9 1 2 m p a 和 1 4 2 4 7 m p a ，碳纤维梯度分布试件的s 为碳纤维层状分布的4 0 4 9 。在相同温 度条件下对相同厚度不同长度碳纤维层状分布和梯度分布试件水泥基材料的层 间热应力研究表明，其最大s 随试件尺寸的增加而增加。当试件长度大于 3 0 0 0 | l i l m 时，碳纤维层状分布试件的s 大于其极限抗拉强度会发生破坏，而碳 纤维梯度分布试件即使在试件长度为5 0 0 0 恤m 时，其s 远远低于其极限抗拉强 度而不破坏，能够满足实际工程中的需求； 通过对碳纤维梯度分布温度场和热应力的计算模拟表明，碳纤维梯度分布能 够降低发热层和非发热层之间的热应力，能够满足实际工程中的需要。展示了碳 纤维水泥基复合材料良好的研究价值和应用前景。 关键词：水泥基材料碳纤维电热效应热应力有限元 i i a b s t r a c t c e m e tb a s em a t e r i a l i st h em a x j m u ma n dm o s tw i d e l yu s e dm a n m a d eb u i l d j n g m a t e r i a li nn o w a d a y s ni se a s yd a m a g e db yt h ee n v i t o n m e n ti e a s o na n do v e il o a d e s p e d a l l y 山ec o n c r e t eu s e di nh i g l l w a y ，w t l i c hi so f t e nf a 【c ew i t ht h es a l tt om e l ts n o w c a r b o n 劢e rr e i n f o r c e dc e m e n tm a t e r i a li st h en e ww a yt om e l ts n o w a st h e e l e c t m t h e n n a li th a v e ，a n di sq u i c k l yd e v e l 叩j n gt e c h n o l o g yi nt h e s ey e a 珞h o w e v e r ， t h et h 盯m a | s t f e s sc a u s c db yt l l ej o i n tb e 觚e c h c a t i n gl a y e r 柚dn o - h e a t i n gl a y e r w o u l d 啪c kt h eb o n da n dd e s c c n dd u 瑚【b i m y i nt h i sp a p e r ，t h ec o c e p to ff g mi s f i r s t l ya p p l j e di i lc 锄e n t b 弱e dm a t c r i a l st 0s t u d yt h ee f f e c to fc a r b 呻f i b e rg m d i e n t d i s 砸b u t i o ni nc e m e n t b 猫e dm a t e r i a l so nm e c h a n i c a lp r o p e r t y ，c o n d u c t i v ep m p c n y a n dt h e 咖a ls t r e s sd i s t r i b u t i o n ( 1 ) t l - e m e n tb a s 耐m a t e a l sm 代h 柚i ip m p e r t yi si m p 聊e dl f 哪r b 伽 舳e rg r a d l e n tm s t d b u d 伽i i il l l i sp a p e r ，w ef o u n dt h a l ，t h ec a r b o nf i b e rd i s 嫡b u t i 仰 i l lg 阻d i e n t h a v ec l e a n yh i g h e rn e x u r a ls t r e n g t l lt h a i id i s 埘b u t i o ni n 硼i f o 锄，b u tt t l e c o m p r e s s i v es t f e n 舀hh a v en o tc h a n g e dm u c h a st h en u m b e ro fc a r b f i b e f i n c r e a s e di nt h ec e m e n tb 弱e dm a t 酬a l ，i t sm o “l u so fe l a s t i c i l yd e c r c a s e ，a dp o i s s o n i a t i or a i s e d ( 2 ) t l 地蚀m a l tb a s e dm a t e r i a i sc o n 幽睡c t 押ep 呻r t yi si n m p r n v e di lc a r 舳e rg 强d l e 雠地t m 眦n 强w h e nt h eu s a g eo fc a r b o n 矗b e rg e tt 0o 3 a n do 4 ， t h ec a r b o nf i b e rg r a d i e n td i s t r i b u t j o no nt l l ec e m e n tm a t e r i a lh a v eo b v i o u sh i g h e r c o n d u c t i v ep r o p e n yt h 锄t h eu n i f b mo n e ，b u tt h ec 0 d u c t i v ew i l lk e e pt h es a m el e v e l w h e nt h eu s a g eg e tt oo 8 t h ef e s e a k ho nt h e l a lp m p e r t yi n d i c a t e dt l l a t ，a st h e n u m b e ro fc a r b o nf i b e ri i l c r e a s e di nt h ec e m e n tb a s e dm a t e r i a li t sc o e a j d e n to f t h e n l l a le x p a n s i o nd e c r e a s e ，s a m ew j l hc o e f f i c i c n to ft h e m a lc o n d u c t i o n ( 3 ) t h ec e m e n tb a s e dm a t e a i st h e r m a ls t s sd i s t b u t i o ni sr d 蚰s e d 盯 c a r b 帆n b e rg r a d i 明t i nt l l i sp a i t ，w eu s et h es o f t w a r co f6 n j t ee l e m e n ta n a l y s i s ， c a l l e da n s y s 9 o ，t oi m i t a i i o ht h ef i e l do fs t r e s sc 叫s e db ye n e 理摹z e dh e a tj nt h ec a r b o n 矗b e r 伊a d i e n td i s t r i b u t i o na n du n i f o md i s t r i b u t i o no nt h ec e m e n tb a s e dm a t e r i a l s 1 i i a n df o u 玎dt h a t ，t h es t r e s sd i f f e r e n c e ( s ) i n 铲a d i e n td i s 悄b u t i o nm a t e r i a l i s 3 5 1 9 1 2 m p a ，a n di nu n i f o 咖d i s t r i b u t i o nm a t e f i a lj u s t4 0 4 9 o ft h ef o r i i l e ro n e ， w h i c hi s1 4 2 4 7 m p a w ea l s of o l l i i dt h a t ，t h em a x j m a l si n c r e a s e db yt h el c n 酎ho f s a m p l es i z e i i lu n i f b h nd i s t 曲u t i o nm a t e r i a l ，t h em a x i m a ls a m p l el e n g 出i s3 0 0 0 m m ， w h i c hw o u l dm a k es u r et h en o 咖a lw o r k b u tg r a d i e n td i s t r j b u t i o nm a t e r i a lw o u l d a l s ow o r kl h l d c rt h el e n 殍ho f5 0 i ) 0 i n m ，a n ds a t i s f yt h ew o r k i n gr c q u j r e m e n t f r o mt h ee x p e r i l i l e n t a t i o na i l di m i t a t i o ni n t h i sp a p e r ，w ef o l u l dc a l 切nf i b e r 伊a d i e n td i g 啊b u t i o nc o u l dd e c f e a s em et h e 姗a ls t r e s sb e t w e e nh e a t i n gl a y e r 趾d n o h e a t i n gl a y e f ，m a k ei ts a t i s f yt h ew o r k i n gr e q u i r c m e n ti nb u i l d i n ge n g i n e e r i n g a i l dt h a tw o u l de i l l l a i l c et h eu s ea i l t i c i p a t i o no fc a r b o f j b e rd j s m b u t i o n 蚴e n tb a s e d m a t e r i a l k e y 唧o r d ：c e m e n tb a s e dm a t d a l ，a m ) 0 nf j b e r ，c 】e c t o t h 咖a 】e f 托c l ，l | 1 e n n a ls t r c 骆， m e t l l o do ff i n i t ee l e m e n t l v 郑重声明 本人的学位论文是在导师指导下独立撰写并完成的，学位论文没有剽窃、抄 袭等违反学术道德、学术规范的侵权行为，否则，本人愿意承担由此产生的一切 法律责任和法律后果，特此郑重声明。 学位论文作者( 签名) ： 弘缘f 南 2 0 0 5 年4 月3 0 同 郑卅大学硕士学位论文 碳纤维梯度分布对水泥基材料热应力分布的影响 0 、引言 材料是人类生活和生产的物质基础，随着新世纪的到来，当代科学技术的发 展对材料性能的要求越来越高。仅仅具有单一功能的力学、化学、光学、电学、 热学性能的材料已经远远不能满足要求，而同时具有多种复合功能的材料成为新 材料的发展方向。水泥基材料作为世界范围内原料最丰富，用量最大的建筑材料， 就其作用和用量还没有任何材料可以取代。然而随着现代科技发展，其自身抗拉 强度低、脆性大、抗裂性能差、隔热效果差、自重大以及功能单一等缺点，很大 程度上限制了其使用范围。改善水泥基材料的性能，在满足常规性能需求的基础 上赋予其复合功能，实现水泥基材料多功能一体化，是时代对水泥基材料工作者 提出的要求。 导电发热水泥基材料是近年来在国内外发展较快的一种新型功能水泥基复 合材料，它是将具有导电发热功能的组分掺加到水泥基材料中，通过外加电场的 作用使混凝土这种传统材料既保持了原有的理化性能又增加了其导电发热功能 的复合材料。使用这种导电发热功能的混凝土，室内可用作采暖材料，室外可用 作人行道、车道及机场跑道等的冬季除冰材料。例如，目前世界各国纷纷开展了 碳纤维导电水泥基材料在路面桥梁除冰应用方面的实验研究，即通过在混凝土中 掺加碳纤维赋予其良好的导电性，通过施加外加电场所产生的热量( 电热效应) 将路面的冰雪融化。这一方法消除了撒盐法给混凝土路面结构和环境带来的许多 负面效应，然而却不可避免的引起路面的发热层与不发热层之间的热应力，从而 引起破坏。其实，还有很多关于导电发热混凝土方面的应用，都存在类似的电热 层与非电热层间热应力的问题。因此，要实现导电发热混凝土的应用，其关键问 题之一就是必须解决电热层与隔热层、普通混凝土层的层间热应力问题，而梯度 功能材料正是为了解决复合材料内部的界面应力问题而提出并迅速发展起来的 一种新型复合材料。所谓梯度功能材料( f g m ：f u n c t i o n a n yg r a d i e n t m a t e r i a l s ) ，是指在材料设计制造过程中，使构成材料的要素( 成份，结构等) 沿着厚度方向由一侧到另一侧呈梯度连续变化，使得内部没有明显的界面，并使 郑州大学硕士学位论文 材料的性能与功能呈现连续变化的一种新型材料。目前f g m 的研究领域主要集中 在金属、陶瓷及其它无机小分子复合材料领域，作为材料重要分支的水泥基材料 的梯度功能化研究的报道却相对少。因此，1 9 9 9 年杨久俊首次把梯度的概念引 入到水泥基材料中，引用梯度的概念研究水泥混凝土的界面问题，并提出改善它 的有效途径，取得了一定进展，为水泥基材料的研究提供了一个新的研究领域。 将梯度的概念弓l 入到碳纤维导电水泥基材料中来，采用碳纤维梯度分布的结构， 通过合理设计碳纤维在水泥基材料中的梯度分布，使纤维呈梯度的分布，尽可能 的减少层与层之间的组分差异，从而降低层间界面应力，在保证材料本身的物理 力学性能的情况下，实现其导电发热复合功能一体化，可望为导电混凝土电热层 与非电热层的层间热应力问题的解决提供一条有效的途径。 本论文在国家自然科学基金项目水泥基梯度功能复合材料及其作用机理的 研究( 项目编号：5 0 2 7 2 0 6 1 ) 的资助下，通过系统的研究碳纤维在水泥基材料 中的分散、不同碳纤维掺量下水泥基材料的力学性能、电学性能和热学性能的前 提下，合理设计碳纤维在水泥基材料中的梯度分布，尽可能的降低导电混凝土的 电热层与非电热层之间的层间热应力问题，实现水泥基材料多种功能复合一体 化。 穗对金属基、陶瓷基梯度功能材料，水泥基梯度功能材料的研究目前还处于 初级阶段。通过研究碳纤维在水泥基材料中的梯度分布，并建立准确的梯度函数 关系，为水泥基梯度功能材料的进一步深化研究打下坚实的基础。与目前普遍开 展的碳纤维均匀分布水泥基材料相比，碳纤维的梯度分布具有以下特征：一、使 材料既有导电发热的功能，又可以有效降低层与层间的热应力问题。提高材料寿 命等；二、通过合理设计梯度分布，使纤维较多的分布在材料发热区，降低非发 热区纤维的含量必将降低纤维用量，从而降低生产成本。 总之，碳纤维在导电水泥基材料中的梯度分布可望使水泥基材料这一传统材 料焕发新的生命力，有着极大的社会经济效益和应用优势。 2 郑州大学硕士学位论文 1 、文献综述 1 1 碳纤维水泥基复合材料的研究现状 世界经济的快速发展带来了全球建筑业的繁荣，伴随着水泥混凝土消耗量的 迅速增加。由于在工程性能、节能、经济和生态等方面，水泥混凝土优于木材和 钢材，水泥混凝土已经成为不可代替的、应用量最大和使用最广泛的人造建筑材 料。近年来机敏水泥基复合材料和功能及智能结构混凝土的出现，大大拓宽了水 泥基材料的使用范围，导电水泥基复合材料就是其中之一。导电水泥基复合材料 是指在水泥基材料( 水泥净浆、砂浆及混凝土) 中掺加具有良好导电性能的组分 ( 石墨、碳纤维等) ，材料电阻显著降低，导电性能显著提高的水泥基复合材料。 目前常用于制作导电水泥混凝土的导电组分材料主要有石墨粉、碳粉、碳纤维、 钢纤维及钢屑等。 1 1 1 石墨导电水泥基材料 石墨较易获取，具有良好的导电性、导热性和化学惰性。它几乎与极大多数 的酸、碱、盐都不起反应，不溶于有机和无机溶剂，且有较好的抗氧化性，因此， 在不少工业制品中常被用来做导电材料吐尽管石墨具有优良的物理化学性能， 但由于粉末状石墨的长径比小，在混凝土内难以形成相互连通的导电网络【2 】，必 须掺加较高含量才能使混凝土具有良好的导电性，这将使混凝土的强度大幅度降 低【3 j 。因此，石墨导电混凝土只适合用于对强度要求不高的领域，如断路器的合 闸电阻、变压器中性点的接地电阻、及动植物养殖( 种植) 场建造温室等【4 1 。 1 1 2 钢纤维导电水泥基材料 钢纤维具有阻滞基体混凝土裂缝开展的能力，在混凝土中掺入体积含量为 1 2 的钢纤维，将使混凝土的抗拉、抗折、抗剪强度等较普通混凝土显著提高， 其抗冲击、抗疲劳、裂后韧性和耐久性也有较大改善【5 】o 因此钢纤维混凝土在建 筑、公路路面、桥梁、隧道、水工等工程中得到越来越广泛的应用。钢纤维同时 3 郑州大学硕士学位论文 还具有良好的导电性，在混凝土中掺入一定含量的钢纤维，也可以提高混凝土的 导电能力。但由于钢纤维的直径相对较粗，单独掺加钢纤维难阻获得良好的导电 性能f 6 】。当纤维掺量过高时，又会降低混凝土的强度和工作性能【7 l o 研究同时还发 现，随时间的延长，钢纤维钢屑混凝土的电阻率明显增大。主要是由于钢纤维在 水泥的碱性环境中，表面产生氧化钝化层，使混凝土的导电性能降低【8 j 。因而不 宜选用钢纤维作为水泥混凝土的导电相材料。 1 1 3 碳纤维水泥基复合材料 碳纤维可以分为聚丙烯腈碳纤维和沥青基碳纤维，是二十世纪五六十年代发 展起来的一种新型纤维状材料，具有高比强度、高比模量、耐高温、耐腐蚀、耐 疲劳、导电、传热和热膨胀系数小等一系列优异性能州，已广泛应用于航天、航 空、交通、化工、文体器材及建筑材料等领域。 1 3 1 1 碳纤维水泥基材料的力学性能 对碳纤维水泥基材料的研究从2 0 世纪7 0 年代就已开始，取得了大量的研究 成果。1 9 9 2 年，p 1 1 w ic h e n 和d d lc h u n g 在他们所做的实验中，加入了体 积含量为o 2 的碳纤维，结果发现7 天、1 4 天、2 8 天抗压强度分别增加了4 0 、 2 2 和1 7 1 1 0 1 。在吴寅1 9 9 5 年所做的实验中，将直径为1 5um ，长为3 。3 0 m m 的短切碳纤维加入混凝土中，轴心抗压标准强度也是出现了一定程度的增长【1 1 】。 但是随着碳纤维掺量的增加，碳纤维混凝土的抗压强度会下降，同时弹性模量也 会随着碳纤维掺量增加而减少。这是因为在搅拌过程中引进了大量的空气，使碳 纤维混凝土内的空气含量增加【1 2 】，这也得到了我们后面实验的验证。要解决此问 题就需要从碳纤维混凝土的制作方式上作进一步的研究。 在水泥、混凝土材料中掺加碳纤维可起到阻裂增韧作用，它能克服钢纤维锈 蚀、石棉纤维致癌、玻璃纤维在高碱环境下强度受损等缺点【1 3 l 。得到的混凝土具 有高韧性及优良抗冲击性。当体积掺量为2 3 时，抗折强度可提高4 倍，韧 性提离2 0 倍，经冻融实验和加速耐候试验，动态弹性模量和抗折强度都没有变 化。而1 9 9 4 年同济大学在上海进行的一项实验中，在一多层框架建筑的梁和节 点处试用了碳纤维混凝土，总造价仅增加o 5 5 ，而房屋的抗震性能大为改善。 4 郑州大学硕士学位论文 王秀峰【1 4 j 通过实验得到：同样体积掺量对，碳纤维较钢纤维和木纤维具有更 好的增强作用，碳纤维掺入量并非与强度成直线关系。当掺入量较大时( 2 ) ， 抗弯强度和断裂韧性均呈下降趋势，碳纤维若不能均匀分散将限制其性能的发 挥。 而在混凝土中增加一定量的碳纤维，可以显著提高混凝土的抗拉强度；降低 干缩、改善耐磨性能和新旧混凝土之间的粘结强度：提高混凝土的耐久性和抗冻 融能力【1 5 ，1 6 1 7 ，1 射。 美国的d d lc h u n g 教授等研究了各种外加剂，如硅灰、胶乳液、甲基纤 维素、砂、短切碳纤维和表面处理剂，如臭氧、重铬酸钾、硅烷偶联剂等对水泥 浆的热学和热力学性能( 比热、导热系数、热膨胀系数、热稳定性等) 的影响 【”，2 0 2 1 】。并从外加剂本身的性能、外加剂对水泥复合材料密度和孔隙的影响、外 加剂水泥界面特性等方面进行了解释。在水泥浆中加入胶乳液( 水泥重量的2 0 3 0 ) 、甲基纤维素( 水泥重量的o 4 o 8 ) 或硅灰( 1 5 水泥重) 将使其热传 导系数降低4 6 。随胶乳液掺量的增加，水泥浆的热传导系数越小、比热越大。 在水泥浆中加入碳纤维将引入较多的气泡，使导热系数减小。加入经过硅烷处理 的硅灰和碳纤维，将使水泥净浆的比热上升1 2 ，导热系数降低4 j 0 。在水泥 净浆中加入砂子将会降低比热、增大导热系数。在水泥浆中同时添加硅灰和硅烷， 硅灰粒子通过硅烷分子的共价键耦合形成网络，将显著增大水泥浆的比热和导热 系数，且实验表明只需掺入水泥重量0 2 的硅烷即可获得满意的效果。 研究结果表明【2 2 0 3 ，2 4 ，2 5 】短切碳纤维是制备导电混凝土的一种理想的导电组分 材料，主要表现为：( 1 ) 碳纤维单丝直径细，约为7um 左右，碳纤维连续长丝可以 根据需要切割成各种长度的短切碳纤维。碳纤维的长径比大，掺入少量即可获得 较好的导电性能；( 2 ) 碳纤维在空气中耐氧化，对大多数腐蚀性介质非常稳定。 碳纤维分散到水泥基体中，不受水泥碱性环境的影响，能够制得电阻率稳定的导 电混凝土；( 3 ) 国内外大量研究表明，在水泥基复合材料中加入适量短切碳纤维， 可以提高混凝土的抗拉强度、弯曲强度、弯曲刚度和抗冲击性能：降低干缩；改 善耐磨性能；提高混凝土的减震能力；改善新旧混凝土之间的粘结强度和提高砖 与砂浆的粘结强度。因而碳纤维水泥基材料具有优良的物理、力学性能。 郑州大学预士学位论文 1 1 3 2 碳纤维水泥基材料导电及通电发热性能的研究 碳纤维混凝土除了具有良好的导电性能和优良的物理、力学性能外，还具 有压敏性、温敏性、电热效应、电磁屏蔽、钢筋阴极保护掣2 6 ，2 7 ，2 8 ，2 9 1 。目前，世 界各国已经广泛地开展了碳纤维导电混凝土的研究工作，并取得了很好的效果。 普通混凝土的电阻率是一个变化范围很大的值，在干燥状态下约为1 d 7 1 0 9 0 - m ， 而完全潮湿的混凝土的电阻率可降至1 0 1 1 0 3 0 m 。因此，想直接利用普通水泥混 凝土的电热性能是非常困难的。碳纤维混凝土具有电热效应，当对碳纤维混凝土 施加电场时，会在混凝土中产生热效应，引起所谓的电热效应，即焦耳效剧3 0 】。 利用此效应做成的导电发热混凝土，可用于室内采暖【3 1 ，3 2 1 ，用作地板和地下室墙 壁【3 3 】，也可以涂到传统的墙壁、地板和顶棚上【地3 5 】i 还可以用于寒冷天气需除冰 的人行道、车道及机场跑道上【3 6 l 。例如，碳纤维混凝土的电热效应对严寒地区冬 季路面自除雪系统具有重要意义，可消除以往为防止结冰或除冰往往铺撒大量的 盐，致使钢筋锈蚀加剧，所造成的巨大经济损失1 3 ”。此外，近年来，美、英、加 拿大等发达国家以及我国都对这方面展开了大量的研究工作【3 8 ，3 9 1 。 通过对碳纤维导电混凝土用于路面、桥梁和机场跑道的化雪除冰表明，该研 究具有很好的实际应用价值。然而通过对该研究方法的分析发现，混凝土发热层 和不发热层之 间的热应力问 题也不可避免 的伴之而来。当 前人们普遍采 用在普通混凝 导电 昆壤土 _ _ - - _ - _ - _ - - _ _ - - - _ - - 昔通棍凝土 图1典型的三层结构电热层水泥基材料示意图 土层上铺设碳纤维导电混凝土层，也有人为了降低热量损耗在两层中加铺隔热层 ( 见图1 ) i 柏j ，随着对电热层的反复通电，电热层与非电热层之间所产生的热应 力势必会引起混凝土路面整体结构的翘曲等破坏，降低材料的使用寿命，从而影 响混凝土的耐久性。孙明清等1 4 1 l 对长宽均为1 0 0 0 m m ，三层结构平板在通电发热 下的热应力进行了研究，其中发热层( 含碳纤维层) 厚度为4 m m 、隔热层厚度 为5 m m 和普通混凝土层厚度为5 m m ，结果表明，当发热层温度大于6 0 时，层 间热应力超过其极限强度而发生破坏。2 1 世纪是高性能混凝土的研究应用的天 6 郑州大学硕士学位论文 下，与以往不同，高性能混凝土将耐久性列为其性能评价的首要指标。因此，碳 纤维导电混凝土若要进一步发展应用，必须跟上时代的步伐，解决其耐久性的问 题，提高其使用寿命。水泥基材料电热层与非电热层之间的热应力问题成为问题 解决的关键所在。分析梯度功能材料的概念可知，梯度功能材料正是为了解决材 料组分结构之间的差异所引起的层间界面应力问题而提出的。因此，将梯度的概 念引入到碳纤维导电混凝土中来，通过导电组分的梯度变化尽可能的降低电热层 与非电热层之间的热应力，并通过合理设计梯度函数，使纤维较多的分布在材料 发热区，降低非发热区纤维的含量必将降低纤维用量，从而降低生产成本是一项 非常值得探索的研究。 1 。2 水泥基梯度复合材料的研究 在人类现有材料中，水泥混凝土用量最大。据不完全统计，2 0 0 3 年世界水 泥产量目前已超过2 0 亿吨年，折合成混凝土应不少于6 0 亿m 3 年。相比较其 它常用建筑材料，水泥混凝土耗能低，原料来源广泛，工艺简便，生产成本较低。 它还具有耐久、防火、适应性强、应用方便等特点。因此，在今后相当长一段时 间内，水泥混凝土仍将是用量最大、应用最广泛的建筑材料。但是随着人类社会 的高度发展，现代建筑对水泥基材料提出了新的要求，传统意义上的水泥基材料 由于自身存在的弱点，如抗裂能力差、拉压强度比低、脆性大、隔热性差、功能 单一等又大大的限制了其应用范围和效能的充分发挥。当代工业、交通、能源工 程和新型智能建筑对材料的要求越来越高，材料所经受的环境条件也越来越苛 刻，尤其要求在同一制品上实现多种功能的复合等等。因此，弥补水泥混凝土的 缺陷，使水泥混凝土在满足强度、耐久性等要求的前提下，同时具有相关要求的 复合功能从而拓展水泥混凝土材料的用途和适用范围，是时代对水泥混凝土工作 者提出的要求。 鉴于水泥基材料本身多相、多层次的复合结构，其各相之间的界面弱区始终 制约着水泥基材料性能的发挥。如果借助梯度的概念，通过适当设计使其界面组 分呈梯度分布，从而有效的增强界面粘结，降低界面组分差异，则会大大提高水 泥基材料的耐久性和物理力学性能；由于水泥基材料本身韧性较差，抗拉强度较 低的缺点，为提高其使用性能，工程上历来就是通过其与纤维增强材料的复合来 7 郑州大学硕士学位论史 实现其工程设计要求。目前增强纤维在基体中的分布要么为集中分布，要么均匀 分布。其中集中分布又使纤维与浆体界面的负荷大为增加。实际应用中，抗拉抗 弯强度主要由纤维承担，水泥混凝土只起到保护和增加抗弯模量的作用，纤维均 匀分散，受压区的增强材料往往没有发挥作用。因此，如果根据水泥混凝土构件 的使用受力环境，采用纤维梯度分布的办法，既可以增强水泥基材料的抗拉强度， 又能够达到节约纤维的目的；为改善水泥基材料的韧性，历史上曾采用与韧性高 分子材料复合的办法，但这又往往带来了强度和弹性模量的降低，若采用梯度复 合的办法，在受冲击部位多复合韧性材料而其它部位少复合或不复合，也有可能 很好魄解决了提高水泥基材料韧性的同时不影响其它性能的发挥；水泥基材料， 历史上多使用其作为结构材料，随着智能结构的出现，同一制品上要求具有复合 功能，如强度与保温、强度与导电、屏蔽、发热等功能的复合。若通过不同功能 组分的梯度复合，也可以解决水泥基材料功能单一问题，从而满足现代化建筑的 需要；此外，水泥基材料可以在常温下加工成型。又有与其他功能组分有较好的 匹配适应性的特点，客观上已为水泥基梯度功能材料的制各带来了可能。因此， 水泥基梯度功能材料应该在借鉴现有的金属基或陶瓷基梯度功能材料成果的基 础上，根据自身的实际情况采用不同的结构模型和成型工艺。 1 9 9 9 年，杨久俊【4 2 l 首次将梯度的概念引入到水泥基材料中来，建立了水泥 基梯度材料四层次梯度复合的结构模型，分别就连续相1 4 3 】、分散相、骨料一界 面区【拈l 和宏观层状结构层间界面区【4 6 】进行试验探索和物理、力学与化学改性机 理的分析，并就水泥基梯度材料的成型方法、成型设备进行研制，通过分散相组 分梯度复合和结构的梯度变化使水泥基材料的性能和功能亦呈梯度变化，为水泥 基梯度功能材料的研究打下了坚实的基础，从分散相的梯度分布对水泥基材料性 能的改善和附加功能的引入，可以发现其极太的发展潜力。但其组分梯度与功能 梯度之间函数关系有待精确建立，一旦建立这种关系，就有可能在材料设计过程 真正实现按环境需求功能设计材料的组成与结构，如结构保温材料，如何在保温 组分最佳的分布函数下，能在保证最佳结构力学性能的前提下，用最少的组分用 量达到其保温隔热功能【4 7 】；纤维增强组分，真正做到按结构应力分布方式配置纤 维增强组分，使各组分性能得以最佳的发挥；碳纤维的电、热、磁机敏性，要在 弄清其各种性能与体积含量、纤维长度及材料温、湿度之间关系的基础上，在最 8 郑州大学硕士学位论立 少碳纤维用量下，通过碳纤维的梯度分布，实现其设计功能【4 8 】。例如碳纤维的温 一阻效应，有必要通过认真的研究，弄清含量、分布形式与电阻、发热量、热阻 之间的关系，实现结构发热材料的自动控温，在此基础上生产出能用于工程实际 的智能型材料，因此，在水泥基梯度功能材料领域还有大量工作等着我们进行实 验研究。 1 3 梯度材料热应力研究现状 梯度功能材料的熟应力分析模型从f g m 成分分布模型( w a k 雒h i m a 等用幂 函数来描述材料的成分分布) 到f g m 物性参数模型( 如混合体，有效杨式模量 推算等) ；热应力计算由解析分析( r a v i c b o n d r 枷) 到有限元分析( 川崎亮等) ， 使f o m 的热残余应力的计算越来越精确，研究深度不断增加。 1 3 1 热应力的解析分析 目前，在f g m 热弹性应力研究方面，日本学者处于领先地位。n n o d a 等【4 9 j 0 】 主要研究无限长板、空心圆筒以及空心球的f g m 的稳态以及瞬态一维热传导和相 应的热弹性应力问题，并对问题进行简化，求得了温度分布和热应力分布函数； 还研究了组元体积分数对温度和热应力的影响，具体方法有：积分法，变量变换 法，摄动法以及拉斯变换法等。y t a n i g a w a 等1 5 1 ，5 2 】主要研究了非匀质材料的瞬 态热弹性问题。他们将非均匀物体沿其厚度方向分层，即在一般情况下，仅考虑 f g m 一维的非均匀性变化；对于像板、圆柱壳和球壳这样具有一定厚度的分析模 型，则假设物体由无数层面所组成，各层面均垂直于厚度方向，而且假设每一层 面性质是均匀的，两邻近层殛具有稍微不鼠的材料常数值，借眈子层阃界面的连 续条件，并假定厚度方向的非均匀性质按任意规律变化，从分析解的角度便能够 求解热传导和相应的热弹性应力的控制方程。不同的问题其解法有所不同，如瞬 时热传导问题常借助拉普拉斯变化和有限余弦变换，而热弹性场问题则利用艾里 应力函数、热弹性位移势和补充调和函数等方法来研究。 美国犹他大学学者k s r a v i c h a n d r a n 【5 3 】依据经典弹性力学理论导出了线弹 性条件下f g m 残余热应力的解析计算式，并对n i a l 。o ：系f g m 无限大平板状试样 的残余应力进行了研究，结果表明： 9 郑州大学硕士学位论文 ( 1 ) 线性成分梯度的f g m 的残余热应力最小当成份曲线为凸状时陶瓷层存 在残余拉应力；反之，为残余压应力。 ( 2 ) n i 和a 1 ：0 3 系的弹性模量和热膨胀系数随温度的变化对残余拉应力的影 响不大。 ( 3 ) 增加梯度层数目可明显降低残余热应力。 ( 4 ) 为了降低陶瓷层中的残余热应力，应尽可能减小陶瓷层厚度。 张晓丹等【5 4 ，5 5 墚用解析法对f g m 板材和轴对称f g m 材料在稳态温度场下的温 度分布和热应力分布进行了研究，给出了温度分布和热应力分布的计算式。目前 解析法主要应用于线弹性条件下f g m 残余热应力的近似计算，而关于弹塑性f g m 的残余热应力的分析报道很少，这主要是因为目前对f g m 的弹塑性变形的机理研 究很少。对于实际的非均匀介质，得到热应力分布的解析解几乎是不可能的，因 为解析法一般研究韵是一维闳题，用来研究f 铺的热应力有很大的局限性。 1 3 2 热应力的数值分析 由于梯度功能材料本身组成的复杂性以及热应力分布的不均匀性，采用数值 法对其热应力进行计算是行之有效的，常用的数值方法是有限元法【5 酊。根据模型 假设条件的不同，有限元法主要分为热弹性和热弹塑性有限元分析法。张幸红等 【5 7 】对t i c n if g m 在制备过程中的残余热应力进行了有限元模拟，考察了梯度组 成分布指数对热应力大小，以及最大热应力发生位置以及纯陶瓷t i c 侧热应力状 态的影响，结果表明，缓和热应力效果较好的梯度组成分布指数p = 1 0 。m m g a s i k 等p 埘提出了一种f g m 的微观力学模型，并用此模型对w c uf g m 在热弹塑性条件 下的热应力分布进行了计算。曹文斌等【5 9 】采用有限元法对t i c 基对称成分功能梯 度材料( s c f g m ) 中的残余热应力进行了理论计算，得出以下结论： ( 1 ) 残余热应力的分布规律为：径向残余热应力最大值随表面层厚度的增 加而增加，最小值随表面层厚度的增加而减小。从s c f g m 中心部位到靠近边缘大 约3 4 位置处的径向残余热应力基本保持不变，从该处向边缘径向残余热应力迅 速减小。 1 0 郑州大学硕士学位论文 ( 2 ) 残余热应力对s c f g m 表面层的硬度没有显著影响，但明显地提高了 s c f g m 的抗弯强度和断裂韧性。凌云汉等【删运用有限元软件对w c u 梯度材料进 行了优化设计。结果表明，成分分布指数的增大以及金属钨厚度的增加均使表面 工作温度升高；当成分分布指数为1 0 1 2 时w c u 梯度材料有最佳的热应力缓 和效果。在3 0 m 1 v 一的表面热流负荷下，经过优化设计的w c u 功能梯度材料的等 效热应力降低了6 2 3 ，表面工作温度下降了5 0 ；而与单纯金属钨相比，w c u 梯度材料的表面工作温度降低了4 4 。 r l w i l l i a m s o n 以及j t d r a k e 等【6 l ，6 2 l 用弹一塑性有限元法研究了冷却过 程中陶瓷一金属梯度界面的残余热应力问题，并与没有梯度界面时的结果进行了 比较，其中梯度微结构被处理为一系列理想粘接层。结果表明，塑性变形和材料 的几何形状都会对应力峰值产生明显的影响，通过优化微观结构可以降低某些关 键的应力分量。y d l e e 等【6 3 】采用有限元法研究了金属基底上的功能梯度涂层的 残余热应力闷题，以及金属基底上的多层陶瓷涂层的残余热应力问题，对引起边 缘脱粘以及表面开裂的应力进行了分析，评估了自由边缘的界面应力和应力强度 因子。综上所述，各种研究方法的特点是将f g m 的温度场和热弹性场的控制方程 进行线性化处理，使之能够得到解析解或近似解析解。在一般情况下，对f g m 这 样的非均匀材料的非均匀性质仅考虑呈一维形式变化，但也可以延伸到二维、三 维等更为复杂的热传导和相应的热弹性应力问题。 1 3 3 有限元分析分析热应力研究现状 在1 9 0 6 年有研究人员建议用“栅格相似”来求解连续介质问题【删。当时连 续介质是用弹性杆件组成的规则网格来近似的，该方法试图采用熟知的框架结构 分析的方法。柯朗( c o w a i i t ) 在1 9 4 1 年的数学讲演稿中曾建议在三角形子域内 用多段多相式内插法，作为求得近似数值解的方法【吲，他把这种方法称作变分问 题的瑞利一里兹( r a y l e i g l l r i t z ) 解法，这就是我们今天所称作的有限元法。到 1 9 5 3 年，工程师们将刚度方程用矩阵符号表示，并利用数学计算求解这些方程 i 矧。 有限元是近似求解一般连续域问题的数值方法。它最先应用于结构的应力分 析，很快就广泛应用于求解热传导、电磁场、流体力学等连续问题【6 7 1 。有限元方 1 1 郑州大学硬上学位论文 法作为一个强有力的数值分析工具，也被广泛的应用于解决各种非线性分析问 题。对于一个连续体的求解问题，有限单元法的实质就是将具有无限多个自由度 的连续体，理想化为只有有限个自由度的单元集合体，单元之间仅在节点处相连 接，从而使问题简化为适合于数值求解的结构型问题。 1 5 本论文的研究工作创新点 1 5 1 学术构想与思路 将梯度引入到碳纤维水泥基材料中来，通过合理设计碳纤维的梯度分布，使 材料在保证其力学强度的前提下，又有导电发热的功能。通过a n s y s 有限元软件 模拟分析碳纤维梯度分布温度场和热应力的变化，研究碳纤维梯度分布对热应力 分布的影响。a n s y s 9 o 有限元软件分析碳纤维梯度分布水泥基材料在通电发热 下热应力的主要步骤如下： ( 1 ) 弄清材料属性及前处理细节：材料属性包括碳纤维梯度分布各层材料 的弹性模量、泊松比、热膨胀系数、导热系数、密度等：前处理包括选择钋珞y s 分析的模块以及单元的选择等； ( 2 ) 几何模型的建立：创建一个碳纤维梯度分布水泥基材料的几何模型； ( 3 ) 划分网格：把创建的几何模型划分为一系列的单元，各单元之间仅靠 节点连接； ( 4 ) 耦合节点：考虑复合材料界面处应变连续，通过耦合界面处单元节点， 使得处在界面处的节点具有相同的自由度； ( 5 ) 加载并求解：建好模型后，模拟碳纤维梯度水泥基材料在通电状态下 各层发热功率，通过加载各层发热功率，然后再求解； ( 6 ) 后处理：求解后，需要对求得的解进行处理，查看碳纤维梯度水泥基 材料温度分布，并与实验所钡j 温度对比，检查结果是否合理。 ( 7 ) 在温度分析结果的基础上，分析碳纤维梯度分布水泥基材料的层间热 应力。 郑州大学硕士学位论文 1 5 2 主要研究内容 综上所述，本文的研究内容主要有如下几部分： ( 一) 研究碳纤维梯度分布对水泥基材料物理力学性能的影响 本文在第2 章研究了碳纤维在水泥基材料中梯度分布对复合材料物理力学 性能的影响，主要包括：首先研究了碳纤维的分散方法的影响，确定了最佳分散 工艺；然后在最佳分散工艺的基础上，系统的研究了碳纤维含量在0 2 0 w t ( 胶 凝材料质量) 之间，不同的碳纤维均匀分布对水泥基材料弹性模量、泊松比和强 度的影响，为碳纤维梯度分布水泥基材料温度场和热应力计算提供力学参数；然 后设计了碳纤维平均含量分别为o 3w t 、0 4 w t 、0 6w t 和o 8w t 的梯度 试件以及与之对应的同含量的碳纤维层状分布试件进行力学性能的对比研究。 ( 二) 研究碳纤维梯度分布对水泥基材料电性能以及热物性性能的影响 本文在第3 章研究了碳纤维在水泥基材料中梯度分布对复合材料电性能、热物性 的影响，主要包括：首先系统的研究了碳纤维含量在o 一2 o w t ( 胶凝材料质量) 之间，不同的碳纤维均匀分布对水泥基材料导电率、导电发热温升、热膨胀系数 和导热系数的影