文献速读
Nano Today：在水泥上原位合成碳纳米管以开发用于智能高铁基础设施的自感应水泥复合材料
题目
题目：In-situ synthesizing carbon nanotubes on cement to develop self-sensing cementitious composites for smart high-speed rail infrastructures
在水泥上原位合成碳纳米管以开发用于智能高铁基础设施的自感应水泥复合材料
关键词
关键词：自感应、碳纳米管@水泥、原位合成、水泥基复合材料、智能高铁基础设施
来源
出版年份：2022
来源：Nano Today
课题组：大连理工大学土木工程学院韩宝国课题组
研究背景
大规模的高铁基础设施建设有效地减轻了交通负担，促进了区域经济协调增长。高铁基础设施健康监测方面对保障其安全运营必不可少。视频监控、基于声发射和超声波技术的现有传感技术都很昂贵且长期耐用性差。本征自感应水泥基复合材料（SSCCs）是现有传感技术的适当补充，可长期且低成本监测高铁基础设施。碳纳米管（CNTs）具有独特的结构和优异的力学和电学性能，是最有前途的用于构建SSCCs的导电填料之一。然而，决定SSCCs性能的一个关键因素是CNTs在其内部的均匀分散。CNTs的高纵横比和比表面能以及范德华力导致其很容易在基体中团聚，使得复合材料内部形成缺陷位点，降低了其性能。同时，团聚的CNTs不能在基体内形成稳定连续的导电网络，导致传感灵敏度和重复性较差。常用的机械分散方法如超声分散效率低，破坏CNTs结构，且超声停止后，CNTs在孔隙溶液中经常出现重团聚现象；而引入官能团使CNTs共价功能化，虽然减少了其管束间的范德华相互作用，并在带电CNTs之间产生静电斥力，可提高其分散性，但是涉及侵蚀过程的CNTs共价功能化可能引入结构缺陷或破坏CNTs，从而对其电学和力学性能不利；通过表面活性剂吸附和包裹的聚合物对CNTs进行非共价改性，会阻断其网络的连通性和导电性，将空气困在水泥浆体中，阻碍水泥水化。上述复杂的、多步分散方法限制了CNTs在许多领域的大规模应用。
最新的纳米合成和纳米复合技术为CNTs分散提供了新策略，如原位化学气相沉积（CVD）、化学沉积、微波辐射和静电自组装等方法，通过在碳纤维和水泥颗粒等微尺度填料上直接生长/接枝CNTs，开发一类新型CNTs基分层填料。通过将纳米级分散体转移到微域来解决CNTs的分散问题，提高其复合效果和效率。在水泥颗粒上原位CVD生长的CNTs（CNT@Cem）更通用、可调、简单，可一步合成和分散CNTs，从而消除了任何超声和功能化步骤，保持CNTs结构和性能的完整性，并优化其在水泥基质中的性能保持。层次结构的CNT@Cem复合材料既可以作为功能填料，也可以作为基体材料直接参与SSCCs的水化和硬化过程。CNT@Cem的生产也有望整合到水泥生产过程中，实现低成本、低碳和工业化制造。
研究出发点
目前，对于层次结构CNT@Cem复合材料的合成研究有限，主要集中在CVD过程的参数化研究上。尚无文献研究CNT@Cem复合材料对水泥水化和水泥基复合材料性能的影响，特别是具有CNT@Cem的SSCCs的自感应特性。
研究内容
本文开发了一种制备具有高导电性和强自感应性能SSCCs的简单方法，并将其作为与SSCCs设计的智能轨道板集成的监控系统应用于高铁列车监控。具体为：通过原位CVD方法在水泥颗粒上生长CNTs，详细地合成了层次结构的CNT@Cem复合填料，具有独特的巢状形态，与水泥颗粒之间具有较强的界面结合，有利于增强CNT@Cem/水泥复合材料的力学性能，避免CNTs在水泥中再团聚。CNT@Cem的掺入有效地调整电子显微结构，提高SSCCs的导电性和自感应灵敏度，其应变灵敏度系数高达748。
图1 原位CVD法合成CNT@Cem：（a）合成过程示意图；（b）硅酸盐水泥（PC）颗粒；（c）CNT@Cem催化剂前驱体干燥后；（d）CNT@Cem催化剂前驱体煅烧后：（e）成长中的CNT@Cem；SEM和EDX（f）PC颗粒；（g）CNT@Cem催化剂前驱体干燥后；（h）CNT@Cem催化剂前驱体煅烧后；（i）成长中的CNT@Cem
图2 CNT@Cem形貌：（a、b）30 min超声处理后的CNT@Cem的SEM，插图为生长CNT@Cem之前和之后超声；（c）CNT@Cem超声后的TEM；（d）CNT@Cem对应的元素映射；（e、f）CNT@Cem超声处理后的TEM；（g）纳米镍颗粒包裹在CNTs中的TEM
图3 含CNT@Cem的SSCCs的热量测量：（a）热流；（b）热流峰值对应龄期；（c）累积热；（d）60 h的累计水化热。（e）含CNT@Cem的SSCCs在1、7和28 d时的XRD
图4 （a）含CNT@Cem的SSCCs电阻；（b）含CNT@Cem的SSCCs在25 MPa压缩下的FCR与Strain；（c）不同CNT@Cem含量的SSCCs的应变灵敏度系数；（d）应变灵敏度系数比较
图5 SSCCs设计的智能轨道板用于高速铁路监控：（a）试验场地和装置示意；（b）对8节车厢高速列车通道的反应；（c）对16节车厢的高速列车通道的反应
主要结论
本文报道了一种由层次结构功能填料组成的下一代碳纳米管（CNTs）的制造方法，可提高CNTs分散性，并使具有卓越自感应性能CNTs的可扩展制备成为可能。
（1）通过原位化学沉积法（CVD）在水泥颗粒上直接生长CNTs，合成了层次结构CNT@Cem复合填料，其巢状形态增加了比表面积，降低了石膏含量，为水化产物的形成提供了丰富的成核位点，促进了本征自感应水泥基复合材料（SSCCs）的早期水化。
（2）CNT@Cem的加入可以有效地调整SSCCs的电微观结构，从而提高其导电性。巢状CNT@Cem显著提高了SSCCs的应变敏感性。随着CNT@Cem含量的增加，灵敏度不断提高，CNT@Cem-25试样的最大应力灵敏度为2.87%/MPa，应变灵敏度系数为748。同时，CNT@Cem显示了出色的重复性和稳定性，对各种应用条件的出色适应性，快速的响应和恢复，在长期和实时的高铁基础设施监测中显示了巨大的实际应用潜力。
文献链接：
https://doi.org/10.1016/j.nantod.2022.101438
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