摘要
由于碳纳米管优良的力学和电学特性，在水泥基中掺入适量的碳纳米管时，不仅能够有效改善其电性能，而且复合材料具有压阻效应。因为这一效应，碳纳米管水泥基复合材料在作为结构材料的同时，能够感知自身的变形，在工程中有着重要的应用前景，近年来成为土木工程领域研究的热点课题之一。本文研究碳纳米管水泥基复合材料的力电耦合性能，并建立合理的力电耦合理论模型，发展相应的数值分析方法。 首先对碳纳米管水泥基复合材料的力学性能进行了试验研究，探索了工业级碳纳米管改善水泥基材料力学性能的可行性。与高纯度碳纳米管的改善作用进行比较，发现：分散均匀时，适量的工业级碳纳米管对水泥基材料力学性能改善效果较好，且成本低。进一步，研究了微观结构、水灰比、砂率等因素对碳纳米管水泥基复合材料力学性能的影响。 在此基础上，对碳纳米管水泥基复合材料的力电耦合性能进行了系列试验，提出了在受力变形过程中电导率变化的等效电路模型，对压阻效应变化的规律进行了全面的分析，总结出压阻效应可能的六种变化状态。基于碳纳米管水泥基复合材料的电导网络结构，定性分析了应变作用下孔隙水连通性和碳纳米管连通性对电导率的影响。 提出了电导率和压阻效应的一维解析表达形式。并通过相关参数分析，得到了碳纳米管水泥基复合材料压阻效应的“包络图”。 考虑碳纳米管水泥基复合材料的非均质性，建立了碳纳米管水泥基复合材料的力电耦合概率模型，发展了力电耦合分析的三维有限元数值方法。数值结果与试验数据吻合良好，验证了力电耦合模型的正确性。导出了有效应变与电压之间的对应关系，为结构健康监测提供了一种新思路。 基于细观力学的Mori-Tanaka方法，考虑碳纳米管隧穿效应和孔隙水离子导电的影响，分别建立了碳纳米管水泥基复合材料的二相、三相力电耦合预测模型，较好地预测了干燥状态和含水状态下碳纳米管水泥砂浆的电导率及压阻效应。二相力电耦合模型同时也适合碳纳米管聚合物基复合材料的电导率及压阻效应预测。并系统分析了碳纳米管长径比、势垒高度、初始隧穿间距等因素对电导率和压阻效应的影响。发展了基于细观力学三相力电耦合理论的有限元数值方法。
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