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            課題組在《Cement and Concrete Composition》發表論文:低摻量碳納米纖維-水泥復合材料的電學性能:滲濾現象和極化效應

            來源:   發表日期:2020-09-15


            近日,課題組謝寧副教授在行業頂級期刊Cement and Concrete Composition發表全文(Z. Zhou, N. Xie, X. Cheng et al., Electrical properties of low dosage carbon nanofiber/cement composite: Percolation behavior and polarization effect),揭示了在納米碳纖維-水泥基導電材料中隧道效應的影響因素及隧道效應對基體電阻率性能的影響。

            導電水泥基材料的發展對智能城市的建設具有極其重要的意義。為使傳統無機水泥建筑具有優良的導電性,將具有高長徑比、高導電性的納米碳纖維作為導電相引入到水泥基體中。導電能力是導電混凝土最主要的性能指標。目前研究已將纖維摻量,纖維分散狀態,含水量,養護齡期以及孔結構等作為混凝土材料導電性能的主要影響因素,并且將纖維網絡,離子水通道以及隧道效應導電通道作為主要導電通路。然而,有關溫度作為主要影響因素的研究相對匱乏,尤其是由焦耳熱能引起的水泥試樣溫度變化從而對導電通路造成的影響及影響機理尚不明確。本研究探究了在不同強度的焦耳熱效應下納米碳纖維-水泥基材料電阻率的變化規律,提出了隧道效應的滲流現象。研究發現,

            1)納米碳纖維構成的導電網絡,離子水通道以及隧道效應導電能到共同為水泥基體內的載流子傳導做出貢獻。

            2)隧道效應是水泥基試樣電阻率的重要影響因素。隧道效應強度由兩個因素共同決定:焦耳熱效應強度和試樣溫度。當隧道效應較弱時,纖維導電網絡的連接性較差,極化現象主導電阻率呈現出正溫度系數性質;而當隧道效應逐漸增強時,附加導電通道被激發,導電網絡連接程度增加,從而抑制了極化現象,使電阻率由正溫度系數轉變為負溫度系數性質;而當隧道效應超過一定限度時,高溫導致水泥基體水分散失及產生裂縫,從而破壞了導電通道,使導電性能大大下降。

            3)在冰凍環境下離子溶液結冰導致部分導電通道失去導電能力,從而導致水泥基材料導電機理發生變化。而在焦耳熱效應下,結冰的離子通道重新出現連接現象,從而保持離子通道的導電能力。

            Fig.5-aFig.5-b焦耳熱效應對0.05%-納米碳纖維/水泥基材料電阻率-溫度系數的影響

            本研究揭示了納米碳纖維摻量、外加電壓、含水量和溫度對水泥基復合材料電阻率的協同效應,闡明了隧道效應的滲流現象以及其對納米碳纖維-水泥復合材料電阻率-溫度系數的影響,有助于解釋焦耳熱效應對水泥基材料導電機理的影響機理。

            本研究獲得國家自然科學基金(51772128,51761145023、51632003)、泰山學者計劃、濟南市“一事一議人才計劃、雙百外國專家計劃”(WST2018011)、先進水泥基材料學科創新引智基地(111基地)等項目支持。程新教授和謝寧副教授是文章通訊作者。

            原文鏈接https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2020.103539




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