基于纤维增强水泥基复合材料(FRCC)材料性能评价纤维包覆法作为多壁碳纳米管(MWCNTs)分散技术的适用性

《Design Studies》：Evaluation of the Applicability of the Fiber-Coating Method as a CNTs Dispersion Technique Based on the Material Properties of FRCC

　　

摘要：本研究评估了一种纤维包覆（Fiber-Coating）方法以改善多壁碳纳米管（Multi-Walled Carbon Nanotubes, MWCNTs）在纤维增强水泥基复合材料（Fiber-Reinforced Cementitious Composites, FRCC）中的分散性，并基于材料性能评估其适用性。以掺入1.5 vol.%微钢纤维（Micro Steel Fibers, MSF）和占水泥质量5 wt.% MWCNTs为基准组，在相同MWCNTs掺量下，纤维包覆法较超声分散（Ultrasonic Dispersion）分别使FRCC的流动度（Flow）、抗压强度、抗折强度及电导率（Electrical Conductivity）提高了3.06%、9.73%、6.93%和15.21%，表明该方法作为MWCNTs分散技术的有效性。研究人员考察了MSF体积分数为1.0、1.5、2.0 vol.%时，固定MWCNTs掺量为5.0 wt.%及按比例变化掺量（3.3、5.0、6.7 wt.%）的情况以确定最佳掺入水平。相对于固定掺量组，变化掺量组在1.0 vol.% MSF时流动度降低5.12%，而在2.0 vol.% MSF时增加14.12%；抗压强度、抗折强度和电导率最高分别提升17.08%、18.22%和52.47%。因此，每种纤维体积率均存在对应的最优MWCNTs掺量。

论文解读：基于纤维包覆法作为MWCNTs分散技术应用于FRCC的适用性评价

该研究由Byungcheol Choi, Gyuyong Kim, Minwoo Kil, Sujeong Pyeon, Ryoma Kitagaki, Doo-Yeol Yoo, Mang Tia, Jeongsoo Nam共同完成，发表于《Design Studies》。

一、研究背景与目的

碳纳米管（Carbon Nanotubes, CNTs），特别是多壁碳纳米管（MWCNTs），因其优异的力学性能、热稳定性和导电性，被视为开发高性能水泥基复合材料（Cementitious Composites）的理想纳米增强材料。然而，MWCNTs因疏水性和范德华力极易发生团聚（Agglomeration），若未均匀分散直接掺入基体，反而会阻碍性能提升。传统分散方法如超声分散（Ultrasonic Dispersion）虽有效，但存在随时间重新团聚、过长时间或高能量导致MWCNTs断链（Aspect Ratio降低）及操作依赖性强的局限；使用分散剂则可能削弱界面应力传递效率。已有研究提出将MWCNTs包覆于粉体（如粉煤灰）或纤维表面，但针对纤维包覆（Fiber-Coating Method）作为MWCNTs分散手段、并结合不同纤维与MWCNTs掺量系统性验证其在纤维增强水泥基复合材料（FRCC）中适用性的研究较少。因此，本研究旨在评估将MWCNTs包覆于微钢纤维（Micro Steel Fibers, MSF）表面的方法作为FRCC中MWCNTs分散技术的适用性，并确定MSF体积分数与MWCNTs掺量（占水泥质量wt.%）的最佳匹配关系。

二、关键技术方法

研究人员设计三组系列实验：Series 1比较无MWCNTs、超声分散MWCNTs及MSF包覆MWCNTs（CMSF）在1.5 vol.% MSF下的性能；Series 2固定MWCNTs为5 wt.%，改变MSF为1.0、1.5、2.0 vol.%采用包覆法；Series 3按MSF比例调整MWCNTs掺量（1.0 vol.% MSF配3.3 wt.%，1.5 vol.%配5.0 wt.%，2.0 vol.%配6.7 wt.%）采用包覆法。W/B（水胶比）固定为0.30，掺聚羧酸系减水剂（Polycarboxylate Ether based Superplasticizer, SP）0.4 wt.%。纤维包覆通过手工分次混合MWCNTs水分散液与MSF后室温干燥制备。测试项目包括流动度（ASTM C1437）、28天抗压强度（ASTM C109，50×50×50 mm³）、抗折强度（ISO 679，40×40×160 mm³）、四探针法电导率（Four-Probe Method）及扫描电镜（Scanning Electron Microscope, SEM, JSM-7100F）微观形貌观察，并进行电导率与力学性能的相关性分析。

三、研究结果

3.1 Fiber surface changes（纤维表面变化）

SEM观察显示，经MWCNTs包覆的MSF（CMSF）表面比未处理MSF更粗糙且不规则，MWCNTs保持其原始管状形态分布于纤维表面，证实该物理包覆法可有效将MWCNTs引入纤维表面而不破坏其结构。

3.2 Flow（流动度）

相同MWCNTs掺量下，CMSF组流动度（202 mm）高于超声分散组（196 mm）和无MWCNTs组（167 mm），表明纤维包覆法利于改善浆体工作性。固定MWCNTs掺量时，流动度随MSF增加而降低（215→170 mm）；同步调整MWCNTs掺量时流动度变化幅度减小（204→194 mm），且在2.0 vol.% MSF时较固定掺量组流动度提升14.12%，说明按纤维量调整MWCNTs包覆量可部分抵消纤维引起的流动度损失，存在最优配比。

3.3 Compressive strength and flexural strength（抗压与抗折强度）

1.5 CMSF-5.0抗压强度77.8 MPa、抗折强度24.7 MPa，较无MWCNTs组分别提高33.68%和22.28%，较超声分散组提高9.73%和6.93%。固定5 wt.% MWCNTs时，1.5 vol.% MSF组强度最高，1.0 vol.%组因MWCNTs过量、2.0 vol.%组因MWCNTs不足致强度下降；同步调整MWCNTs掺量后（1.0 CMSF-3.3、2.0 CMSF-6.7），抗压强度较固定掺量组分别提升16.89%和17.08%，抗折强度分别提升6.02%和18.22%，证明匹配掺量可优化增强效果。强度提升归因于MWCNTs的纳米桥联（Nano-Core Effect）、孔隙填充致密化及包覆导致纤维-基体界面过渡区（Interfacial Transition Zone, ITZ）改善。

3.4 SEM analysis（SEM分析）

基体内部观察到从纤维表面剥离并分散于水化产物中的MWCNTs及附着于CMSF表面的更多水化产物，证实分散机制为搅拌过程中MWCNTs从纤维表面脱粘并弥散至基体。固定MWCNTs掺量时非1.5 vol.% MSF组纤维表面水化产物附着层较薄；同步调整MWCNTs掺量时各组成纤维表面水化产物附着均匀且增多，与力学性能提升相印证。

3.5 Electrical conductivity（电导率）

1.5 CMSF-5.0电导率为3.167×10^?3S/cm，较无MWCNTs组提高152.35%，较超声分散组提高15.21%。固定MWCNTs掺量时电导率随MSF增加上升；同步调整MWCNTs掺量时电导率进一步升高（2.0 CMSF-6.7达3.621×10^?3S/cm），1.0 CMSF-3.3较1.0 CMSF-5.0提高52.47%。渗流阈值（Percolation Threshold）出现在约1.0–1.5 vol.% MSF区间。电导率提升表明纤维包覆法促进MWCNTs形成更致密导电网络，佐证分散改善。

3.6 Qualitative evaluation of MWCNTs dispersion through correlation analysis（通过相关性分析定性评价MWCNTs分散）

以电导率为MWCNTs分散指标，流动度与其呈负相关（固定掺量R²=0.6407，变化掺量R²=0.734），抗压、抗折强度与其呈正相关（变化掺量R²分别达0.9888和0.9987）。同步调整MWCNTs与MSF掺量时相关性更强，说明适宜MWCNTs掺量随纤维体积分数变化对分散效果及性能至关重要。

四、讨论与结论翻译

研究表明：(1) 纤维包覆法使MSF表面粗糙化且MWCNTs保持形貌附着，方法可行；(2) 纤维包覆法优于超声分散，流动度、抗压强度、抗折强度、电导率分别高出3.06%、9.73%、6.93%、15.21%；(3) MWCNTs掺量随MSF体积分数同步调整（1.0 vol.% MSF配3.3 wt.%，1.5 vol.%配5.0 wt.%，2.0 vol.%配6.7 wt.%）较固定掺量改善流动度表现（1.0 vol.%降5.12%、2.0 vol.%升14.12%），并使抗压强度、抗折强度、电导率最大提升17.08%、18.22%、52.47%，确认存在最优MWCNTs掺量；(4) SEM证实包覆纤维表面水化产物附着增多且MWCNTs弥散于基体，支持所提分散机制；(5) 电导率与流动性、强度相关性在变掺量时更高（R²最高约0.99），表明调整掺量改善分散效率；(6) 纤维包覆法为有效分散手段，MSF为1.0、1.5、2.0 vol.%时对应最优MWCNTs掺量分别为3.3、5.0、6.7 wt.%，为先进水泥基复合材料中纳米材料分散与性能提升提供实用指导。