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摘 要

碳纳米管（CNTs）和碳纳米纤维（CNFs）因其特殊结构而具备了一些优异性能，但在其用于增强水泥基材料性能研究中发现CNTs/CNFs性能的发挥很大程度上取决于其在水泥基体内的分散程度，但颗粒间的强范德华力限制了其分散效果从而导致水泥基体性能受到影响，而气相沉淀法（CVD）就能有效解决此问题。本文计划研究在不同实验环境参数变量下CVD法对硅酸盐水泥熟料上CNTs/CNFs原位生长的影响，以及CVD处理后水泥熟料性能的变化。

拟采用透射电子显微镜（TEM）、扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射仪(XRD) 、拉曼光谱仪（Raman）等现代测试技术对样品物相形貌结构以及水化性能进行表征。

预测分析结果为：在硅酸盐水泥熟料颗粒表面能原位生长CNTs/CNFs材料，并且CVD法中的工艺参数会影响着CNTs/CNFs材料的结构特性以及CNTs/CNFs材料的生长量。CNTs/CNFs材料在硅酸盐水泥熟料颗粒表面的原位生长会改变水泥熟料性能。

关键词：碳纳米纤维 水泥基材料 CVD法 原位生长

Effect of vapor deposition on the in-situ growth of carbon nanofibers on the surface

Abstract

Carbon nanotubes (CNTs) and carbon nanofibers (CNFs) have some excellent properties due to their special structures, but in their use to enhance the performance of cement-based materials, it is found that the performance of CNTs/CNFs depends largely on their performance. The degree of dispersion in the cement matrix, but the strong van der Waals force between the particles limits its dispersion effect and causes the performance of the cement matrix to be affected, and the vapor deposition method (CVD) can effectively solve this problem. This paper plans to study the effect of CVD method on the in-situ growth of CNTs/CNFs on Portland cement clinker under different experimental environment parameter variables, and the changes in properties of cement clinker after CVD treatment.

It is planned to use transmission electron microscope (TEM), scanning electron microscope (SEM), Raman spectrometer (Raman), X-ray diffractometer (XRD) and other modern testing techniques to characterize the phase morphology and hydration properties of the sample.

The predictive analysis results are as follows: CNTs / CNFs materials can be grown in situ on the surface of the Portland cement clinker particles, and the process parameters in the CVD method will affect the structural characteristics of the CNTs / CNFs materials and the growth of the CNTs / CNFs materials. The in-situ growth of CNTs / CNFs on the surface of Portland cement clinker particles will change the properties of cement clinker.

Key Words: Carbon nanofibers; cement-based materials; CVD; in-situ growth

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2研究方法及现状 2

1.2.1 主动分散法 2

1.2.2原位生长法 3

1.3研究意义与内容 5

第二章 实验方法 6

2.1实验原料 6

2.2样品的制备 6

2.2.1拟采用 CVD法在熟料表面合成碳纳米材料 6

2.2.2 水泥净浆水化样的制备 7

2.3拟采用测试分析方法 8

2.3.1 CNTs/CNFs在熟料上原位生长测试 8

2.3.2水化样品性能测试 9

第三章 预测分析 10

3.1 CNTs/CNFs在熟料上原位生长预测 10

3.1.1 扫描电镜（SEM）预测 10

3.1.2 透射电镜（TEM）预测 11

3.1.3拉曼光谱（Raman）预测 11

3.1.4 热重分析（TG-DSC）预测 12

3.1.5 XRD图谱预测 13

3.2水化样品性能预测分析 14

3.2.1水化热预测 14

3.2.2 强度预测 15

3.2.3 压汞孔隙率测试（MIP）预测分析： 17

第四章 结论与展望 18

参考文献 20

第一章 绪论

1.1 研究背景

随着现代建筑工程领域的飞速发展，人们对材料提出了更高的要求。而如今应用最广泛、使用最便捷的结构工程材料仍是以水泥混凝土为代表的水泥基材料。其作为最广泛的结构材料，也开始逐步由仅具有承载力的结构材料向可持续性、超耐久性、超复合化、高强高性能化方面发展。

自水泥问世以来，屡次的重大革命都是提升其拓展用途与提高其力学性能；水泥基材料高性能进程大致为波特兰水泥-砂浆混泥土-钢筋混凝土-石棉水泥-预应力混凝土-外加剂混凝土-聚合物混凝土-高强混凝土-高性能混凝土^[1]。普通混凝土作为各种材料中使用最广泛的建筑材料世界各地的基础设施类型，其抗拉强度低，准脆性和易受裂纹不受控制地传播等缺陷成为了应用领域的局限性。而其中增强水泥性能的一大方向便是纤维增强，始于1950年代GRC（玻璃纤维水泥）后逐步发展为钢纤维水泥和碳纤维水泥乃至今时的纤维增强聚合物水泥，而其抗拉强度低，准脆性和裂纹易不受控制地传播等缺陷成为了其应用领域的局限性，而为了克服这些缺点在水泥基材料增强方向引入额外材料的概念近年来也从毫米级转变成了纳米级。纳米材料领域的先进技术因其独特多功能特性结果引起了研究者的兴趣，而碳纳米管（CNTs）和碳纳米纤维（CNFs）具备的高抗拉强度，弹性模量等卓越特性获得重大科学关注，成为了高性能多应用水泥基复合材料的优异高效增益材料的优选,并由此国内外相继开展CNTs/CNFs水泥基复合材料的基础研究。

1991年Lijima^[2]发现纳米级中空碳晶体CNTs，且按其石墨烯卷曲层数将其分为单壁碳纳米管(SWCNTs)和多壁碳纳米管（MWCNTs）^[3]。其特殊的结构赋予其优异的力学性能，所以将其应用于增强水泥基复合材料成为了水泥研究的方向之一。Girifalco等^[4]研究表明其卓越性能能否得到充分发挥取决于CNTs的分散程度，而CNTs的巨大比表面积和颗粒间的强范德华力限制了它在溶液或其他溶剂中的分散。导致目前最常用的CNTs主动分散法：如机械分散法、表面修饰法电场诱导法、超声波分散法以及综合法仍存在分散效果不佳、不宜长期保存、效率低下等问题^[5]。CNFs是通过化学气相沉积法生长的碳纤维中其中一种形式，由一种不连续的纳米级石墨纤维经过气态碳氢化合物的热解而形成^[6]，其性能优于任何当前使用的纤维。除碳纤维的固有特性外，CNFs还具有导热和导电性类似于金属材料，陶瓷材料的耐热性和耐腐蚀性，以及纺织纤维的柔软性和编织可行性，因此它是一种多功能材料^[7]。但却极易出现CNFs群集并因此构成缺陷，导致机械结构的损失，但这一属性也被用于聚合物复合材料中以增强某些机械性能^[8]。而在水泥熟料上的原位生长CNTs/CNFs提供了一个解决上述问题的新方法。

1.2研究方法及现状

现今以CNTs/CNFs增强水泥基材料按其分散方式可分为两大方向，主动分散法和原位生长法。

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