碳納米管(Carbon Nanotubes，簡(jiǎn)稱CNTs)，是一種具有石墨結(jié)晶的管狀納米碳材料，相比傳統(tǒng)的碳纖維擁有近乎完美的力學(xué)性能，是目前發(fā)現(xiàn)的綜合性能最好的纖維材料。根據(jù)碳納米管中碳原子層數(shù)的不同可分為單壁碳納米管(SWCNTs)和多壁碳納米管(MWCNTs)。單壁碳納米管價(jià)格昂貴，一般用于場(chǎng)發(fā)射平板顯示器和傳感器等領(lǐng)域，而多壁碳納米管造價(jià)相對(duì)較低，目前規(guī)模化生產(chǎn)與應(yīng)用程度較好，一般用于增強(qiáng)復(fù)合材料的研究，研究較多的基體材料有聚合物基、金屬基及陶瓷基，有關(guān)水泥基復(fù)合材料的研究相對(duì)較少，尚處于起步和摸索階段。已有的研究表明，與現(xiàn)有的其它材料相比，多壁碳納米管具有小尺度(直徑納米級(jí)，長(zhǎng)度微米級(jí)，長(zhǎng)徑比達(dá)100-1000)、重量輕(密度約為1.339/cm3，僅為鋼的1/6)、高硬度、高強(qiáng)度(拉伸強(qiáng)度50-200GPa，超過(guò)鋼的100倍；彎曲強(qiáng)度可達(dá)14GPa)、高彈模(楊氏模量達(dá)1-8TPa，與金剛石相當(dāng))、優(yōu)異的彈性(彎曲后能自動(dòng)彈回，相應(yīng)軸向延伸率可達(dá)20％；彈性應(yīng)變可達(dá)6％，約為鋼的60倍)、良好的韌性(在一定溫度下，碳納米管的斷裂應(yīng)變?cè)?0．55％左右)和卓越的電學(xué)性質(zhì)(根據(jù)結(jié)構(gòu)可具有金屬特性或者半導(dǎo)體特性，電導(dǎo)率可達(dá)1000．2000S／cm，能通過(guò)的電流密度可達(dá)106A／cm2)。超高的長(zhǎng)徑比、超強(qiáng)的耐酸堿能力等使得MWCNTs在各基體中能更好地發(fā)揮橋聯(lián)、增韌等作用，是一種極好的纖維，其性能優(yōu)于當(dāng)前任何纖維材料。其優(yōu)異的性質(zhì)引起了各個(gè)學(xué)科的廣泛關(guān)注，特別是在材料科學(xué)、電子學(xué)和生物醫(yī)學(xué)等重要領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景。近些年來(lái)MWCNTs諸多低生產(chǎn)成本工藝的成功研發(fā)使得MWCNTs價(jià)格顯著降低，尤其是多壁碳納米管。因此，從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上分析MWCNTs可以用做水泥基體的增強(qiáng)功能組分，制備出新型的MWCNTs增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料。而且已有研究亦表明，由于MWCNTs的優(yōu)異特性，多壁碳納米管水泥基復(fù)合材料(MWCNTs／CC)確實(shí)具有優(yōu)異的力學(xué)性能和功能特性。將多壁碳納米管作為水泥基材料增強(qiáng)體，在力學(xué)性能增強(qiáng)的同時(shí)，預(yù)期可賦予復(fù)合材料良好的耐久性、功能性等綜合性能，這可能帶來(lái)水泥基復(fù)合材料性能的一次飛躍。
進(jìn)入21世紀(jì)，隨著現(xiàn)代大型工程、航空航天、機(jī)械等高科技領(lǐng)域的飛速發(fā)展，人們對(duì)材料提出了更高的要求。迄今為止，在土木工程領(lǐng)域，以水泥混凝土為代表的水泥基材料仍是應(yīng)用最為廣泛、使用最成功的結(jié)構(gòu)工程材料。然而，隨著現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)的高層化、大型化、多功能化，水泥混凝土作為最大宗的結(jié)構(gòu)材料，也逐漸由傳統(tǒng)的僅具有承載能力的結(jié)構(gòu)材料向綠色與可持續(xù)、超復(fù)合化、超耐久性、高強(qiáng)高性能化、高功能、 智能化等方向發(fā)展。一方面，普通水泥基材料由于抗拉強(qiáng)度低、韌性差，在工程中經(jīng)常產(chǎn)生大量的裂縫，嚴(yán)重影響了結(jié)構(gòu)的安全性和長(zhǎng)期耐久性，高耐久問(wèn)題、增韌問(wèn)題已成為水泥基材料的研究重點(diǎn)；另一方面，在水泥基體中加入碳纖維、聚丙烯纖維等宏觀纖維制備高韌性機(jī)敏水泥基復(fù)合材料對(duì)在役結(jié)構(gòu)安全進(jìn)行監(jiān)測(cè)，己成為另一研究熱點(diǎn)，但由于這些纖維本身就是脆性材料或者導(dǎo)電性能差等缺點(diǎn)，效果并不理想。納米技術(shù)的出現(xiàn)標(biāo)志著人類改造自然的能力已延伸到原子、分子水平，已滲入到材料學(xué)、藥物學(xué)、機(jī)械學(xué)等諸多領(lǐng)域，在大型工程、國(guó)防、化工、航天航空等領(lǐng)域中開拓了廣闊的應(yīng)用前景，被認(rèn)為是21世紀(jì)最有前途的材料。隨著納米材料和技術(shù)的飛速發(fā)展，納米級(jí)纖維材料向水泥基材料領(lǐng)域滲透，打破了傳統(tǒng)水泥基材料的局限，極大地?cái)U(kuò)展了水泥基材料的應(yīng)用領(lǐng)域，給水泥基材料研究帶來(lái)了嶄新的生命力。在水泥基復(fù)合材料中引入納米級(jí)纖維，一方面能將水泥基復(fù)合材料基體內(nèi)的裂紋控制在較低水平，大幅度提高復(fù)合材料的力學(xué)性能和耐久性；另一方面利用其優(yōu)良的導(dǎo)電特性，賦予水泥基材料自診斷、自調(diào)節(jié)、自修復(fù)等特性，使水泥基復(fù)合材料向高性能、智能化方向發(fā)展。國(guó)外、國(guó)內(nèi)已相繼開展碳納米管水泥基復(fù)合材料的基礎(chǔ)研究，已成為國(guó)際上材料研究領(lǐng)域的新熱點(diǎn)。
由于多壁碳納米管在理論上非常適合應(yīng)用于增強(qiáng)和改善復(fù)合材料的性能，而且已經(jīng)實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)與應(yīng)用，學(xué)術(shù)界目前對(duì)多壁碳納米管水泥基復(fù)合材料的研究也剛處在起步階段，并在力學(xué)性能、導(dǎo)電性能等方面取得了一些重要成果。因此基于此背景，本課題提出通過(guò)綜合研究碳納米管的分散性能，為其在水泥基復(fù)合材料中的應(yīng)用提供理論支撐；通過(guò)研究碳納米管水泥基復(fù)合材料的制備及其物理力學(xué)性能，為進(jìn)一步深入研究其他性能(如耐久性、電磁屏蔽等功能性)奠定理論基礎(chǔ)；綜合分析和討論碳納米管在水性體系中的分散機(jī)理及其改善水泥基復(fù)合材料性能的微觀作用機(jī)理，為宏觀性能的提高提供理論解釋，也為優(yōu)化碳納米管水泥基復(fù)合材料的關(guān)鍵制備技術(shù)提供指導(dǎo)。
目前，我國(guó)正在進(jìn)行著大規(guī)模的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，大量高層和超高層建筑層出不窮；許多規(guī)模宏大的跨越江河、峽谷的大跨或超大跨度橋梁已經(jīng)興建；近海及大型深海工程正在拓展。由此，客觀上需求強(qiáng)度更高、耐久性更優(yōu)的建筑材料，使用超高強(qiáng)、高耐久的水泥基材料將是必然趨勢(shì)。高性能碳納米管水泥基復(fù)合材料預(yù)期可用于高層建筑和大跨度橋梁(減小構(gòu)件截面和自重)；用做有高耐久要求的各種侵蝕環(huán)境的化工廠、港口和海洋平臺(tái)；用做高等級(jí)橋面、路面、停車場(chǎng)；作為電磁屏蔽材料用于有電磁防護(hù)要求的國(guó)家軍事、軍用工程和領(lǐng)域以及有電磁屏蔽要求的經(jīng)濟(jì)信息安全設(shè)備和設(shè)施；用做抗?jié)B透性和抗腐蝕性要求極高的放射性廢棄物儲(chǔ)存容器；作為一種新型傳感器應(yīng)用到混凝土結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)等領(lǐng)域。因此，對(duì)于材料研究者來(lái)說(shuō)，加快探索和研究碳納米管在水泥基材料中的應(yīng)用研究已經(jīng)成為當(dāng)務(wù)之急，一旦其生產(chǎn)制備和應(yīng)用取得重要突破，必將帶動(dòng)整個(gè)納米技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)也將帶動(dòng)一系列相關(guān)高科技產(chǎn)業(yè)的興起，引發(fā)一場(chǎng)新科技革命，給整個(gè)社會(huì)帶來(lái)巨大的利益。因此，對(duì)于材料研究者來(lái)說(shuō)，加快探索和研究碳納米管在水泥基材料中的應(yīng)用研究已經(jīng)成為當(dāng)務(wù)之急，一旦其生產(chǎn)制備和應(yīng)用取得重要突破，必將帶動(dòng)整個(gè)納米技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)也將帶動(dòng)一系列相關(guān)高科技產(chǎn)業(yè)的興起，引發(fā)一場(chǎng)新科技革命，給整個(gè)社會(huì)帶來(lái)巨大的利益。
