文摘

有一个水泥纳米复合材料需求的增加在二十一世纪由于其成分,强度更高,效率高,多尺度性质。碳纳米管(碳纳米管)具有极高的强度,韧性,和刚度,包含少量的碳纳米管混凝土组合的多功能材料。分子水平的理解是重要的宏观的属性赋予权力这些复合材料。在拟议的工作中,分子动力学(MD)模拟被用来理解复合材料在原子层面的行为和连续介质力学的代表性体积单元(RVE)均化造型进行了复合材料的界面相互作用研究。杨氏模量等力学性能,剪切模量,毒药是评估使用之前的方法模拟不同成分的纳米材料在水泥矩阵。MD模拟和广场的FORCITE模块RVE模型用于确定机械、电气性能和水泥纳米复合材料的弹性常数。问的MD模拟描述链接效果成水泥基质,和RVE模型研究显示问的拉拔力的影响矩阵。从实验和分析研究,发现问增加到0.5%重量分数提高了约12%,机械性能进一步提高CNT的重量分数导致力学性能减少约5%由于碳纳米管的聚集。态密度的方法在MD模拟表明,电子的流动比例增加而增加碳纳米管在复合材料。实验测试结果证实分析性研究,从两种方法获得的误差小于20%。 From the analytical study, the average maximum Young’s modulus, shear modulus, and bulk modulus are obtained as 46 GPa, 31 GPa, and 32 GPa for 0.5% weight fraction of CNT in cement matrix. Hence, it is concluded that 0.5% weight fraction of CNT is considered as optimum dosage to obtain better electrical and mechanical properties.

1。介绍

复合材料在建筑行业的各种应用程序。一个水泥复合是一个主要的建筑元素。从最近的几十年里,进行了一项研究,使混凝土僵硬,强,导电的碳纳米管。碳纳米管的强大的力量,他们的体积小,导电属性吸引科学家开发出了一种复合材料。碳纳米管是一个优秀的钢筋硬化胶结材料的机械改进通过pores-filling和cracks-bridging因为孔隙和裂缝,从纳米级到微尺度,经常存在于硬胶结材料。水泥矩阵的性质,如硬度、抗拉强度、抗压强度、电导,和功能属性,可能的使用大大提高了碳纳米管(1- - - - - -5]。

目前,大多数实验工作进行几何特征的影响,长宽比,浓度CNT的胶结材料增强胶结材料的力学性能通过裂纹桥和孔隙结构修改(6- - - - - -8]。复合行为的理解在原子水平分析是非常重要的机械和电气性能。CSH凝胶与碳纳米管的宏观的交互是评估通过研究原子水平的相互作用。分子动力学技术最近被用于各种机械特性和原子结构的调查CNT-reinforced C-S-H [9- - - - - -11]。水泥和混凝土的初始阶段的品质是由硅酸三钙(硅酸三钙石:c3),它定义了早期功能(12]。在这段时间里,硅酸三钙石水化导致calcium-silicate-hydrate凝胶的形成(13]。CSH凝胶负责大部分的水泥基产品的机械和物理性能。雪硅钙石14˚,表明大层间距离使库仑层间相互作用相对微不足道而ionocovalent intralayer交互,同时减少层间距离11˚影响复合材料的弹性性能,由于水分子的存在以及钙离子。(14]。添加碳纳米管水泥是承诺改善水泥的强度和修改它作为多功能材料。根据研究结果,问可能会有效桥两边的裂纹,提高复合系统的抗拉强度(15]。没有明显区别的压缩行为CNT-reinforced C-S-H和定期C-S-H由于local-shell屈曲模式主导的问压缩行为。杨氏模量和泊松比的CNT /环氧复合从实验测试获得2.8绩点和0.34,从MD模拟,发现平均绩点3.34和0.36,分别为随机问分布容积的内容2:矩阵的5% (16]。因此,分子动力学分析被证明是一个有效的方法来研究水泥复合材料的力学行为和特征,以及其他应用程序如碳基纳米材料、聚合物水泥纳米复合材料,化学治疗材料属性的变更(17]。

同样,代表性体积单元(RVE)造型所需的最重要的技术之一来分析和研究规模较小(微观或纳米)材料,机械性能和表面的相互作用。广场射频首选估算的有效材料常数,被发现是很准确的估计问的有效杨氏模轴向长和短问情况下(17- - - - - -19]。上升的速度刚度CNT的水泥复合材料显著的一定百分比的问,除了它减慢(17]。环氧树脂纳米复合材料的杨氏模量的厚度25 nm之间如果发现是0.523和2.16的绩点,并观察到,不管的体积分数,碳纳米管的相对分布在矩阵对杨氏模量没有显著的影响在增强复合材料18]。对齐的研究显示,纳米复合材料增强碳纳米管有更高的纵向弹性模量比钢筋与倾斜的碳纳米管(19]。

本研究的主要目的包括确定各种浓度的问在水泥的影响矩阵及其对界面交互的行为影响机械和电气性能。试验和微观结构分析工作进行了解碳纳米管到水泥的行为矩阵。此外,分子动态模拟来理解原子水泥和碳纳米管之间的相互作用,一个原型使用材料工作室的复合建模和分析软件。RVE模型用于研究矩阵的退出问影响力学性能。从前面提到的分析技术,弹性常数如杨氏模量、剪切模量,确定批量模块和泊松比。结果表明,浓度SWCNT机械和电气性能的影响。

2。实验方法

2.1。材料

普通硅酸盐水泥43级用作矩阵。单壁碳纳米管(SWCNTs)用于加固。从Sigma-Aldrich SWCNTs得到。美国公司拥有2μ直径和含碳含量约90%。河沙的粒径小于1.18毫米准备使用水泥砂浆粘贴。

2.2。方法

通过添加SWCNT水泥纳米复合材料准备的水泥砂浆比1:1,水灰比为0.45。由于SWCNTs范德华斥力,因此色散进行了确保同质混合水泥浆。乙醇被用于prescattering SWCNT适当的混合成水,后来,整个组合的帮助下用一个探头超声发生器约15分钟。的用SWCNT有浓度为0.25%,0.5%,0.75%,1.0%,和1.25%水泥的重量被加入到水泥矩阵如表所示1。的标本大小20毫米×20毫米×80毫米/ ASTM C293准备机电测试评价复合材料的机械和电气性能。养护28天之后,三个点负载测试是由测压元件的最大容量10 kN的应变速率对复合材料如图1毫米/分钟1。微观结构分析进行了SEM知道水泥复合SWCNT对形态的影响。

表1
不同浓度的水泥纳米复合材料。
(一)
(一)
(b)
(b)
图1
实验工作。(一)用问。(b)三点弯曲加载试验。

根据实验测试、抗弯强度计算如图2。可以看出挠曲强度是最大CSH-CNT-2复合相比。抗弯强度是CHS-CNT-2复合发现32.5 MPa。SEM结果表明SWCNT的致密地层水泥矩阵将填满水泥毛孔和作为桥增加复合的负荷能力。添加纳米材料也逮捕裂缝的形成,减少收缩裂缝的3,20.]。但SWCNT浓度的增加导致聚集在水泥矩阵在某些地方如红色在图所示3,这将减少负载容量和导致挠曲强度降低。SWCNT是受到排斥的范德瓦尔斯力导致水泥结块矩阵,因此CNT更高浓度的降低了抗弯强度。因此,分子动力学模拟进行了解原子层面交互和评估部分中解释的其他力学性能的复合材料3。

(一)
(一)
(b)
(b)
图2
各种水泥的力学性能的纳米复合材料。(一)抗弯强度。(b)杨氏模量。

图3
CSH-CNT复合材料的扫描电镜图像。

3所示。分子动态分析

分子动力学(MD)可以被定义为系统的动力学分析,结果让原子和分子相互作用一段时间。自从C-S-H凝胶的主要成分是水泥浆和负责的力量,因此在目前的研究中,曹硅酸钙水合物(3 2 sio2.3H20)和碳纳米管是模仿使用材料工作室,和MD模拟进行。的力学性能计算杨氏模量、泊松比、体积弹性模量和剪切模量x,y,z方向,确定CSH-CNTs之间的交互。

3.1。造型的硅酸钙水合物和单壁碳纳米管

托勃莫来石是一种单斜结构用于模型硅酸钙水合物(CSH)凝胶通过创建非晶电池模块使用材料工作室软件如图4(一)和4 (b)对不同成分的CSH和问如表所示2。所有作品,C-S-H结构calcium-to-silicon (Ca / Si)的比率0.83和同等数量的硅原子相对单一硅和水分子链骨架。40晶格长度被认为是在所有三个相互垂直的方向。晶格是之间的角参数α=β=γ= 90°和primal-centre(0, 0, 0),碳纳米管为模板考虑空间群的SWCNT P1 (1)在z设在分配坐标(20、20、20)与非周期的结构和手性向量N= 12米1.42 = 6,债券的长度。三问的问假设为均匀分布在CSH凝胶达到的密度0.5克/ cc知道这些分子和原子之间的相互作用。最初,一个好的位置这两个分子在缺乏验证氢键和平衡条件获得了非晶态细胞在真空空间创建洞问与C-S-H凝胶。问之间的间隔为13和无定形的邻边2 nm沿着晶格长度。此外,在非晶态细胞是由作为初始结构叠加的问结构如图5。重量分率可以控制加载的分子数。然而,包装操作时允许细胞是空的。CSH凝胶的密度为1.44 g / cc (21),和能量最小化必须由增加的密度0.6克/厘米3。输出的中质能量状态的模型集。CSH是作为随机的分布在恒定的压力和温度条件。计算结果文件将包括为每个参数的详细信息,如分子链的数量打包成细胞和它的最终能源的价值。

(一)
(一)
(b)
(b)
图4
非晶态细胞与CSH细胞。(一)CSH的细节。(b)在细胞结构和球棒显示。
表2
电池规格不同类型的复合模型。

图5
硅酸钙水合物强化细胞与非晶碳纳米管模型。
3.2。分子动力学分析

分子动态分析需要进行了解原子水平交互确定机械和电气性能。可以先做分子动力学模拟结构是否优化能源,其次是几何优化(22]。分子动力学研究中使用FORCITE模块执行材料工作室。FORCITE模块允许几何优化和有限温度与隐式对称和几何约束分子动力学。机械性能是基于经典分子动力学模型;一组“牛顿运动方程”是用来近似所有分子的位置以及它们的速度、加速度和旋转(23,24]。 在哪里E是势能;R是原子的坐标;和米是原子的质量。

几何优化用于优化CSH-CNT复合因为之前如果结构不优化运行MD模拟,结果将是错误的。计算一个复合的真实密度,分子动力学计算是必需的。系统的细胞密度逐渐增加的外部压力,它可以进一步压缩通过提高压力。从FORCITE模块,几何优化选择优化CSH-CNT复合通过选择国家结核控制规划和默认智能算法与仿真时间25]。

使用材料工作室软件MD模拟进行。使用COMPASS力场进行分析。指南针是第一个力场参数化和验证使用凝相属性除了经验数据孤立分子(26,27]。准确地预测,同时许多分子分离或浓缩阶段,使用这个力场。COMPASS力场由债券条款(Eb)、角(Eθ)、双面(Eϕ),出平面角度(χ),以及交叉项,两个nonbonded功能,库仑静电相互作用函数,和因Lennard-Jones范德华相互作用潜力。由于债券sterching债券之间的相互作用能量

3.3。结果与讨论

MD使用FORCITE模块分析的结果表明,系统的能量(千卡每摩尔)(复合)降低,这是一个主要的要求进一步计算力学性能。图6描述了几何优化结果获得一个稳定的结构或变形。所以,原子坐标和可能细胞参数调整在一个迭代的过程总能量降到最低。优化几何在FORCITE模块是基于减少计算力和压力的大小,直到他们小于指定的收敛。应力张量也可以指定模型系统的行为在张力下,压缩、剪切、和其他条件。在这些情况下,内部应力张量增加迭代,直到它等于外部施加压力。图6证明了几何优化CSH-CNT复合的28)已优化债券之间的能量和力量是中和。观察到的初始温度252 K;然而,随着时间的进展,关于170 K的温度变化很小,而《不扩散核武器条约》计算过程稳定聚合表明平衡已达到系统动力学仿真如图7。图8表明债券之间的力量被中和,实现密度大约是1.67 g / cc。根据几何优化结果,CSH-CNT组合的几何形状进行了优化。指定了应力张量来模拟系统的行为在张力下,压缩、剪切等条件评估机械性能。


图6
几何优化水泥纳米复合材料使用FORCITE模块。

图7
使用FORCITE模块动态温度的水泥纳米复合材料。

图8
密度(g / cc)和时间(ps)。
3.3.1。机械性能

几何优化组合后,力学性能计算使用FORCITE模块通过执行分子动态分析。恒定应变值为0.003时应用于获得杨氏模量等力学性能,体积模量、剪切模量和泊松比的复合材料。当碳纳米管纳米粒子放在一个水泥矩阵,有效桥梁裂缝的水泥矩阵。从图9,平均杨氏模量趋于稳定,表明问有效地抵制应用应变。CSH-CNT综合开发结束时裂纹试验−2,表明模型已经达到极限应力应变。迷人的静电力和硅酸盐债券影响CSH-CNT复合强度,和硅酸盐链断裂的主要原因是降低了杨氏模量后跟踪2 CSH的混合结构由于少O-Si-O键(29日,30.]。


图9
块平均杨氏模量Z设在与CSH-CNT混合。

分子模拟结果确认问埋置改善CSH的力学特性。CSH-CNT的抗拉强度有显著提高碳纳米管的方向。从表3CSH-CNT-2模型,观察0.50%问比例的最大值的杨氏模量z方向,即。,一个long the composite’s longitudinal axis (perpendicular to the silicate layer). MD analysis yielded Young’s modulus of 52.75 GPa for the CSH-CNT-2 composite. As a result, the CNT nucleation process due to rearrangement with CSH gel could eventually develop in the early hydration phase during the formation of composite, which is one explanation for the improvement in mechanical strength of the composite. The CNT’s nucleation effect in the composite by measuring the Ca (OH)2在水化过程中衰减的问包含水泥浆的第二个原因是增强机械强度(31日,32]。

表3
硅酸钙水合物强化细胞与非晶碳纳米管模型。
3.3.2。连接效果

“联系效应”水泥基体的碳纳米管被认为是另一个机制强度增强,这可能增加CSH的机械性能,因为他们可以连接微观和纳米裂缝CSH如图8;因此,它可以被称为“连接材料。“复合的力学性能影响很大的细胞尺寸,问的键长,扭曲的角度,力场的类型,和晶格系统。碳原子之间的共价键和SP2杂化纳米管给所有的微裂隙形成的链接,可以改善复合材料的机械强度。图10描述每个复合体系的断裂过程。裂纹扩展开始从邻近的SWCNT骨折行C-S-H凝胶,和应力分布发生骨折行CSH凝胶和问嵌入矩阵由于其粘附[33,34]。从今以后,不同的失效模式是不同浓度SWCNT看到。随着SWCNT浓度增加,SWCNT成为主要负责原子层间的钙,硅,和氢形成的“三明治结构”C-S-H凝胶。这种现象导致增加的应力分布z方向问与CSH凝胶和内聚破坏原因35]。MD模拟演示,实现内聚破坏后,SWCNT浓度的增加并没有帮助的断裂强度由于集聚增加SWCNT表示在微观结构分析。


图10
连接CSH-CNT复合的效果。
3.3.3。导电性

CASTEP模块是基于量子力学允许探索CSH-reinforced-CNT复合的不同属性。测量水泥纳米复合材料的导电性,CASTEP模块用于获取能带和态密度。能带之间的距离是一个电子的价带和导带。电子必须兴奋状态在最低能量的传导带,才能进行。能源的低能量水平差距的价带和更高的能级要求导带电子成为免费的。

图11表明能量带隙不同的成分。电子态密度是单位体积材料允许能量状态每单位能量的状态。隙的大小使材料表现出他们的一些独特的属性。碳纳米管连接的效果与水泥矩阵增加越来越多的碳纳米管由于自由电子运动将阻塞的转会费用。碳纳米管周围的水泥矩阵不进行与碳纳米管相比。电子的能量差距更由于励磁是更少的机会。电子将在一个特定的能量状态取决于周围的电子结构。更高能量的电子开始跳过这两个纳米管更接近其他纳米管由于电场的影响36,37]。问的浓度在矩阵中扮演着重要角色在决定电子跳跃的概率,从而影响隧道(或电子跳跃)阻力。浓度越高问刺激邻近的纳米管的电子跳跃。断裂的应力分布CSH和问原因减少分离距离的电子,因此成为能够跨越两个纳米管形成一个更高的电流密度纳米管之间的路径。与小卷,复合材料弯曲碳纳米管往往使更多的连接,导致更大的导电性和更快的电渗流。电渗流,因此,有一个阈值以上的稳定和连续流电力取得和电导率的道路是CSH和碳纳米管之间创建的。


图11
投影密度的状态。

分子的影响研究表明各种因素对纳米复合材料的电阻,主要是依赖于intertube隧道阻力,包括屏障的高度潜力,问长度,取向程度和距离截止。短对齐碳纳米管的均匀分布是发现增加了纳米复合材料的应变敏感性37,38]。由于快速可用性的电子跳跃状配置中,碳纳米管具有相当大的电特性基于原子构型。自碳纳米管有自由电子,原子配置他们的电气性能有显著影响39]。逐渐增加的比例的碳纳米管加入水泥矩阵,系统的电导率增加到0.5 S /厘米,并进一步电导率不增加多少按比例增加碳纳米管/图12。因此,电渗流阈值是观察到0.5% SWVNT浓度可以稳定和连续流的电力主要CSH和碳纳米管之间的传导路径。


图12
的电导率和问重量分数的百分比。
3.4。比较研究

MD模拟和实验调查描述问成水泥复合材料的行为。碳纳米管的均匀取向和nonstraight形状以及界面结合研究中需要考虑他们的说法在矩阵产生各向同性胶结的纳米复合材料。CNT-cement纳米复合材料的界面面积和问波纹显示极高的协议与实验结果。图13描述了杨氏模量的比较从实验和分析方法获得的各种浓度CNT的水泥复合材料。是见过,0.5%的问水泥复合给最高的杨氏模量按图由于色散的问3。两方法获得的误差大约为20%,在分析研究色散问被认为是统一的矩阵。


图13
杨氏模量CNT的水泥复合材料从不同的方法获得。

4所示。代表性体积单元(RVE)建模

当一个结构是由多个元素,就必须了解其行为评估外部力量下它的属性。代表性体积单元(RVE)造型是最重要的技术,用于分析规模较小(微观或纳米)材料,机械性能和表面相互作用的复合。RVE的数学模型用于计算的有效特征看宏观复合材料。在计划工作中,RVE模型对水泥进行纳米复合材料来计算有效的材料常数相关的应力、应变等组件E,G和泊松比。在拟议的工作中,RVE是由水泥矩阵和正交的横向各向同性材料的单壁碳纳米管(SWNCT)。方形RVE的均质弹性模型被认为是长度l和横截面积2×2承受外载荷。的物理维度和属性RVE模型呈现在图14和表4。同样当碳纳米管分散在混凝土结构部分,这个模型代表了碳纳米管的nanolevel组织。代表性体积元方法来计算弹性常数。连续介质模型的连续介质力学用于研究RVE模型使用“ANSYS机械APDL”(ANSYS参数化设计语言)。元素,如65年固体,固体45命令是用来模拟问和水泥矩阵(40)和目标170年和174年接触定义两个表面之间的接触。类似的电分析、固体185水泥矩阵和固体227问。


图14
RVE模型的显示尺寸。
表4
RVE模型的物理维度和属性。
4.1。问水泥矩阵外部荷载作用下的行为

在目前的研究中,逐步增加外部加载均匀分布应用于水泥复合的纳米复合材料,直到失败。本分析描述的行为问下到水泥基体外部负载以及它们之间的接口更改。图15显示了复合的最大主应力的分布受到均匀加载”p。“这是观察到的最后问预计从矩阵表示撤军的效果由于负载的应用。最大主应力值是17.65 nN / nm2。负载的应用导致问延长和扩大超出了水泥矩阵,称为拉拔力的影响。综合考虑的失败1神经网络的负载/ nm变化观察到的压力并不是超越这一点,如图16。


图15
分布的最大主值。

图16
压力与马克斯。通过CNT-cement复合主应力。

图17显示的最大挠度CNT的底部的中心纤维水泥复合材料由于一致的加载。1神经网络的破坏载荷/ nm,任何挠度和位移发现靠近的支持,最大挠度时发现0.61899 nm中心。图18解释了载荷和挠度之间的关系。统一的挠度观测的负载0.4神经网络/纳米;之后,逐渐增加发生偏转,直到1神经网络的负载/ nm,偏转的往往是最大的。


图17
最大挠度在CNT-cement复合。

图18
负载应用和挠度之间的关系。
4.2。RVE模型的力学性能

前面RVE模型是研究首次统一加载0.2 nN / nm获得的弹性常数z问拉拔力效应和轴向伸长方向考虑。变形的x和y方向也认为计算的弹性常数x和y方向,分别。下列常数计算了ANSYS分析结果输入到下面提到的公式(41]。

4.2.1。准备表达式来确定Ez

在哪里εz=Δl/l=轴向应变z方向,σ1=有效正应力z方向,Ez=有效杨氏模量z方向

4.2.2。表达式来确定Ex和

在哪里 =有效泊松比;p=均匀加载的大小;一个= RVE的宽度的一半;Ex,Ey=有效杨氏模量x,y方向;Ez=有效杨氏模量z方向;Δx=维度的变化x方向;和Δy=维度的变化y方向。

4.2.3。表达式计算刚性模量

在哪里G=刚性模量;E=有效杨氏模量;和 =有效泊松比

4.2.4。公式将重量转换成体积分数

在哪里f=问纤维的体积分数%,弗雷德里克=重量分数的纤维,ρf=通用的问纤维密度/厘米3,ρm =在通用水泥的密度矩阵/厘米3

εx,εz,σz,Δx,Δy从结果中提取生成完成后ANSYS APDL的分析。这些值进一步取代表达式(5、6和7)获得复合材料弹性常数的值如表所示5。

表5
纳米复合材料的力学性能w.r。t问的体积分数。

从表5,观察到弹性常数发现更高为0.89%体积分数的问似乎问的最优值,视觉上,如图所示17。所有三个方向的刚度随杨氏模量的增加。问的的退出z方向会导致压力的增加在接口由于水泥的有效荷载传递矩阵。这提高了刚度z方向。纳米复合材料纵向弹性模量之间的关系Ez / Em和矩阵模量呈现在图17。它表明,当矩阵模量增加,硬度也会增加,提高复合材料的强度(42]。另一个关键因素,组成模之间的更大差异导致改善纳米复合材料的有效模量(43]。另外,图19显示所有体积分数,Ez / Em小于统一,表明纳米管不会导致的强度z方向(44]。然而,0.89%的Ez / Em值是最高相比其他体积分数为所有矩阵模量,尤其是对矩阵模量50和200。


图19
体积和有效杨氏模量。
4.3。电RVE模型机械载荷作用下的分析

RVE分析是一个很流行的技巧,非均匀材料的微机械造型。它可以用来执行一个均质化分析,获得有效的属性,以及dehomogenization分析获得材料的本地字段和失败。它的受欢迎程度可以主要归因于商业有限元软件的成熟度和验收。只要Hill-Mandel macrohomogeneity条件满意,各种边界条件(BCs)可用于RVE分析。动统一BCs (KUBCs),静态均匀BCs (SUBCs),和周期性的BCs BCs的三种最常见的类型是(/)。KUBCs和SUBCs都相对简单的申请。/可用于结合耦合方程约束。

这里,20 V的电压保持不变,直到结束的分析。机械负荷模型进行了分析,电流密度的变化对负载的大小的变化是记了下来,和阻力计算出相应的值如表所示6。图20.描述了电流密度的分布由于外加负载和电压。由于碳是一个导体,因此,电流密度的分布是均匀的在问[45,46]。电流密度的最大值是陈述的nA / nm2。问的端点电流密度最低。不同大小的外部压力应用于问时,电流密度的变化观察,如图21。欧姆的方程是用来计算在给定的负载。从图22,看到的抵抗是发现高0.2神经网络的初始加载/ nm,价值为1.83486×10-16年欧姆·nm。然而,随着荷载的增加,阻力减小,提高材料的导电额外增加负载。这是由于,当负载应用于问,拉拔力发生这就增加了压力。退出在z方向展品截面面积没有变化,这意味着面积增长。表面积增加导致电导率增加和,因此,减少阻力。有效电导率在轴向方向,即。,normal to the plane of the nanoscale RVE, is calculated by averaging of the local conductivities of the nanoscale RVE, assuming that the electron hopping pathways extend through the length of infinitely long CNTs [46- - - - - -48]。

表6
电流密度和电阻的值w.r。t负载。

图20
纵向弹性模量与矩阵模量。

图21
在问的电流密度分布。

图22
负载和阻力。

5。问和水泥相互作用矩阵

5.1。接触渗透

应用于外部压力时问水泥复合,问的扩展z方向。因此,问在水泥矩阵提供了支持和稳定内部表面复合。由于应变和问管的长度变化量,问试图穿透水泥矩阵造成两个表面之间的紧张关系,如图23(49,50]。渗透率测量的压力。张力越大表明渗透率越大。图24显示压力的增加,由于外部负载的增加导致均匀应变的增加。问的退出意味着增加渗透CNT的导致增加压力的值(51,52]。


图23
问的渗透成水泥矩阵。

图24
接触渗透。
5.2。接触滑动

由于外部应用复合压力导致滑动问从水泥矩阵以及退出效果,问滑从其中心部分沿内表面在水泥矩阵。这是由于问的外表面运动,并问的渗透到水泥矩阵是限制由于行动滑如如图所示25- - - - - -27。最大的滑动发生在支持和滑动中心相对少导致低应力大小的位置。图28表明,负载的增加导致滑动,在复合增加压力。可以看出在1神经网络/纳米水泥复合失败2,因为滑动的增加是最大负载。进一步增加的负荷,压力值保持不变,表明没有额外的滑动。发现0.1733神经网络获得的最大应力/ m21神经网络的负载/ nm。


图25
通过水泥矩阵滑动的问。

图26
问退出在支持由于滑动由于压力的应用。

图27
减少压力从支持中心。

图28
表示压力与压力的增加。
5.3。接触压力

观察复合材料的变形由于应用程序的压力,但它是假定水泥内部的问矩阵的变形会应用一些内部压力的内部区域水泥矩阵(53,54]。根据图29日最大的压力是观察底部的问附近的支持。图30.描述了接触压力造成的压力和压力之间的关系。由于负载压力施加在问水泥矩阵略增加0.8 nN /纳米;1神经网络/ nm,压力增加6.8175 nN / nm的最大价值,并为进一步增加压力,压力是恒定的,在负载1神经网络/ nm,最大的退出。


图29
放大图像的确切位置应力的最大值。

图30
应用和应激压力位置关系的接触压力。

6。结论

从先前的研究已经表明,问的浓度在它们之间的界面相互作用矩阵起至关重要的作用,对机械和电气性能显著影响。分子动力学研究中被证明是一种有效的方法来计算复合材料的弹性常数。从分子动态分析和实验结果,很明显,包含水泥基体的碳纳米管增强复合材料的力学性能。重量分率和体积分数的问水泥矩阵和分散的碳纳米管水泥基质中发挥主要作用的机械和电气性能。分子动态模拟教诲“linking-effect”CSH凝胶可有效的碳纳米管作为填充材料。发现CSH-CNT-2复合使用的密度1.67 g / cc FORCITE模块。获得最佳剂量的问重量分率0.50%和0.89%体积分数的问水泥矩阵产生更好的性能。碳原子之间的共价键和SP2杂化碳纳米管的碳纳米管已被证明有良好的纵向电阻,并提供链接到所有的微裂隙生成从而提高复合材料的机械强度。

RVE模型,它可以观察到碳纳米管的有效荷载传递将获得更大的表面积,提高力学性能。问和水泥的界面相互作用矩阵,可以看出刚度的增加是由于滑动问造成拉拔力的影响,通过问在水泥提供了有效荷载传递矩阵。然而,更问重量和体积分数的增加会导致机械性能的减少由于集聚纳米管从SEM观察分析。

的导电性复合问分数的0.50%被发现是0.56 s /厘米规定重量的百分比的增加碳纳米管在水泥基体提高电子的流动。进一步增加在问分数,可以看出由于集聚的电子导电率会达到饱和,电子的电荷不平衡,跳跃的核心问,减少阻力。在RVE的分析中,恒压和机械负荷的增加表明电导率的增加由于表面积的增加导致减少阻力。复合的失败后,电阻和电导率的数值常数。因此,从先前的研究,得出nanocement复合材料有前途的智能材料在当前具有更大的载重量,机械性能和电气性能,可用于实时应用程序。

数据可用性

数据是可用的。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者扩展他们的感谢哈立德国王大学科研院长以来,沙特阿拉伯,资助这项工作通过大型研究小组计划在格兰特R.G.数量P 2/76/44。