石墨烯纳米片对地聚合物复合材料的影响

来自澳大利亚卧龙岗大学和中国郑州大学的一组研究人员在《国际陶瓷》上发表了一项关于石墨烯纳米片对地聚合物复合材料影响的研究。

研究：工程地聚合物复合材料与石墨烯纳米片的力学性能。图片来源：Icruci/Shutterstock.com

地聚合物

地聚合物使用工业废料作为胶凝成分。这些创新的建筑材料比传统的砂浆和混凝土更具可持续性，碳排放更少，并且利用关键废物流的主要好处，否则这些废物流将被丢弃在环境中。

地聚合物具有优异的工程性能，如耐腐蚀性、化学稳定性、良好的强度增益和低收缩率。然而，与使用普通波特兰水泥等材料的传统混凝土和砂浆相比，由地聚合物制成的混凝土和砂浆可能会受到延展性和脆性问题的影响。

由于这些问题，土聚合物混凝土容易发生严重故障，例如在机械应力下开裂。这严重影响了由地聚合物复合材料建造的结构的使用寿命，对建筑项目的安全性和成本产生负面影响。与普通硅酸盐水泥混凝土相比，地聚合物混凝土的严重劣化可以在相对较短的时间内发生。

将纤维掺入地聚合物中

研究的重点是改善地聚合物混凝土的机械性能并减少限制材料商业应用的裂缝形成的策略。

将纤维掺入土聚合物的基质中以形成复合材料有利于设计具有令人满意的机械和物理性能的地聚合物混凝土。纤维桥接作用控制增强复合材料中裂纹的形成和扩散，并增加裂纹扩展所需的能量。

然而，虽然它们具有优异的断裂韧性，但这些材料仍然具有准脆性。这种准脆性的特征在于纤维增强的地聚合物复合材料中的应变软化响应。

工程胶凝复合材料

工程胶凝复合材料是一种纤维增强胶凝复合材料，由于其设计而具有应变硬化响应，其设计基于微力学模型。这种材料具有优异的延展性。PVA由于其有益的机械性能，与水泥的化学相容性以及良好的水亲和力而通常用于这种材料中。

最近的研究表明，与普通硅酸盐水泥相比，工程胶凝复合材料具有优越的性能。研究表明，这种胶凝材料具有高达传统混凝土的一百倍的拉伸应变能力。

近年来，已经开发了工程地聚合物复合材料，以解决传统胶凝材料的几个当前问题。诸如炉渣 – 粉煤灰之类的工业废料已被评估为复合材料，以改善这些材料的机械性能和可持续性。研究表明，一氧化碳显著减少₂排放和隐含碳。

研究

国际陶瓷杂志的新论文研究了石墨烯纳米片在工程地聚合物复合材料中的应用。以前的研究已经证明了在这些创新建筑材料中使用这种碳基纳米材料的好处。石墨烯纳米片由几层石墨烯组成。

最近的研究表明，与石墨烯相比，石墨烯纳米片的厚度增加，因此不易缠结和团聚。通过将这些纳米材料掺入聚合物基质中，拉伸强度和杨氏模量等性能得到显着改善。然而，这些复合材料中仍然存在脆性问题。

对石墨烯纳米片对工程地聚合物复合材料的影响进行了彻底的分析和评价.由PVA纤维和矿渣粉煤灰制备了地聚合物。使用了2%的PVA纤维添加量，先前的研究表明，这是确保复合材料性能的最佳比例。评估了不同比例的石墨烯纳米片。

对石墨烯纳米血小板掺入百分比的分析表明，地聚合物复合材料的拉伸性能随着掺入率的0.5%而增加，超过该量则减少。石墨烯纳米片对其他机械性能（如抗压强度，弯曲行为和密度）的影响尚不清楚。

该研究中使用了几种测试，包括四点结合，密度，单轴张力和压缩测试。采用SEM对所制备的地聚合物复合材料的微观结构进行了分析。

研究结论

根据实验和分析结果得出了一些重要结论。石墨烯纳米片降低了土聚物水泥的可加工性，但对密度和抗压强度的影响较小。抗拉应变能力和抗拉强度得到提高。此外，四点弯曲试验的结果表明，峰值载荷和中跨偏转增加。多重开裂行为也得到了改善。

此外，SEM微观结构分析表明，复合材料中0.5%的石墨烯纳米片添加会导致PVA纤维表面的显着磨损。在纤维和地聚合物基体之间观察到优异的键合行为。掺入0.5%的石墨烯纳米片可增强复合材料的弯曲和拉伸性能，但会略微降低其抗压强度。

延伸阅读

Li, Z et al. (2022) Mechanical properties of engineered geopolymer composite with graphene nanoplatelet Ceramics International [online, pre-proof] sciencedirect.com. Available at: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0272884222028681