李 丹（陜西省建筑科學(xué)研究院，陜西 西安 710082）

1 前 言

碳纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料是在水泥基體中加入適量的碳纖維而制備成的一種新型復(fù)合材料，添加碳纖維提高了水泥材料的抗裂、抗?jié)B、抗剪切強(qiáng)度并抑制了水泥中裂紋的擴(kuò)展[1]。此外，碳纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料具有導(dǎo)電性，其電阻率會隨著外界條件的變化而變化，從而使該復(fù)合材料產(chǎn)生了壓敏性、溫敏性和電磁屏蔽等一系列優(yōu)異的性能[2]。其中壓敏性使該材料可以對自身的應(yīng)力狀況和損傷程度進(jìn)行診斷；溫敏性可以對結(jié)構(gòu)體的溫度進(jìn)行自我診斷和控制；電磁屏蔽性能可以使得建筑物免受外界磁場干擾。因此碳纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料在建筑領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。但是由于碳纖維的密度不及水泥基體的一半，并且纖維直徑（6~8 μm）遠(yuǎn)小于水泥顆粒的直徑，導(dǎo)致碳纖維難以在水泥基體中均勻分散，從而影響了碳纖維在水泥基體中的增強(qiáng)效果，因此探索碳纖維在水泥基體中的分散性具有重要意義。

2 碳纖維的物理性能

碳纖維的表面光滑，呈現(xiàn)疏水性，其典型的形貌見圖1。其微觀結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)亂層石墨結(jié)構(gòu)，化學(xué)性能很穩(wěn)定，在一般的酸堿環(huán)境中保持穩(wěn)定，在不接觸空氣條件下具有耐熱性能。碳纖維是目前已大量生產(chǎn)的高性能纖維中具有高比強(qiáng)度和比模量的纖維，特別是在2000℃以上的高溫惰性環(huán)境中，其強(qiáng)度仍能保持[3]。此外，碳纖維還兼有其它多種優(yōu)良性能，如低密度、耐高溫、耐腐蝕、耐摩擦、抗疲勞、熱導(dǎo)性高、熱膨脹系數(shù)低和電磁屏蔽性等。

圖1 碳纖維的表面形貌

3 碳纖維的生產(chǎn)工藝

碳纖維生產(chǎn)線大多包括原絲制備，碳纖維制備及后續(xù)產(chǎn)品開發(fā)，最終生產(chǎn)的碳纖維主要有纖維、布料、預(yù)浸料坯和短切纖維四種形式。目前國外碳纖維公司的生產(chǎn)工藝如下：

表1 國外公司的碳纖維生產(chǎn)工藝

4 碳纖維的分散方法

目前常用的碳纖維的分散方法有添加分散劑、表面氧化、制備工藝及化學(xué)氣相沉積法等，現(xiàn)分別總結(jié)如下：

4.1 添加分散劑

在碳纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的制備過程中，添加分散劑是改善碳纖維分散性的最有效手段。研究人員開發(fā)了甲基纖維素、羥乙基纖維素、羥甲基纖維素和硅灰等分散劑。D.D.L. Chung 等[4]研究發(fā)現(xiàn)甲基纖維素能較好的改善碳纖維與水的潤濕性，促進(jìn)其在水泥基體中的均勻分散，同時可以在碳纖維的表面形成隔離膜從而阻止碳纖維的再團(tuán)聚。王闖等[5]借助超聲波和羥乙基纖維素實(shí)現(xiàn)了碳纖維在水泥基體中的均勻分散。侯作富等[5]人研究發(fā)現(xiàn)在碳纖維和水泥之中填充入硅灰，可以使硅灰占據(jù)碳纖維之間的孔隙，從而實(shí)現(xiàn)碳纖維的有效分散。

4.2 表面氧化

表面氧化可以在碳纖維的表面增加含氧官能團(tuán)，從而改善碳纖維與水的潤濕性，因而增進(jìn)其在水泥基體中的分散性。目前主要的表面氧化法為氣相氧化法、液相氧化法和陽極氧化法。氣相氧化法主要用空氣、氧氣、臭氧、二氧化碳和水蒸氣等。D.D.L. Chung 等[4]研究了將碳纖維置于臭氧和氧氣的環(huán)境中，發(fā)現(xiàn)氣相氧化處理改善了碳纖維的親水性和分散性。液相氧化法的時間較長，常用的氧化劑有硝酸、硫酸、雙氧水、高錳酸鉀、次氯酸鹽和過硫酸鹽等。水中和等[6]采用雙氧化水對碳纖維進(jìn)行了表面處理，使得碳纖維的表面出現(xiàn)了縱向的溝槽，并賦予了碳纖維表面活性，從而提高了碳纖維的分散性。也有研究人員將碳纖維置于次氯酸鈉溶液中浸泡后發(fā)現(xiàn)其對水的潤濕性明顯提高，分散性得以改善。陽極氧化法以碳纖維為陽極，以石墨板、銅板、鋼板等為陰極，以氫氧化鈉、碳酸氫鈉、硝酸、磷酸和硝酸等為電解液，通電進(jìn)行氧化處理，從而賦予碳纖維表面含氧官能團(tuán)，改善其分散性。

4.3 制備工藝

制備工藝是改善碳纖維在水泥基體中分散性的最實(shí)用的手段。楊元霞等[7]研究發(fā)現(xiàn)采用碳纖維先于水泥投放的投料順序可以實(shí)現(xiàn)碳纖維較為均勻的分散。王闖等[8]研究發(fā)現(xiàn)采用優(yōu)化的攪拌工藝、加料順序和分散劑含量（羥乙基纖維素為0.63%，硅灰為10%）可以顯著改善碳纖維在水泥中的分布。

4.4 化學(xué)氣相沉積法

采用化學(xué)氣相沉積法在碳纖維表面制備熱解碳可以改善碳纖維的表面形貌，從而改善碳纖維在水泥基體中的分散性。王闖等[9]研究發(fā)現(xiàn)對碳纖維進(jìn)行表面化學(xué)氣相沉積處理，可以顯著改善纖維的表面結(jié)構(gòu)，增加碳纖維的潤濕性，并借助后續(xù)的超生波和分散劑的協(xié)同作用，可以實(shí)現(xiàn)碳纖維的均勻分散。

5 碳纖維分散性的研究趨勢

1）制備工藝依然是改善碳纖維在水泥基體中分散性的最實(shí)用手段，應(yīng)該將實(shí)驗(yàn)室的研究結(jié)果和實(shí)際施工情況相結(jié)合，研究攪拌工藝和加料順序?qū)μ祭w維分散性的影響；

2）分散劑和表面氧化處理相結(jié)合的手段是顯著提高分散性的措施，其中選擇分散劑時應(yīng)綜合考慮性價比、分散效果和操作難易程度等因素。

[1]張暉.CFRC 中短切碳纖維的分散性及其機(jī)敏特性研究.(碩士學(xué)位論文).武漢:武漢理工大學(xué).2004

[2]陳兵,張東.新型水泥基復(fù)合材料的研究與應(yīng)用.新型建筑材料,2000,15(4):28-30.

[3]田亞峰.碳纖維水泥基復(fù)合材料導(dǎo)電性能研究.(碩士學(xué)位論文).大連:大連理工大學(xué).2010

[4]D.D.L.Chung.Self-monitoringstructuralmaterials.Mat erialsScienceandEngineering,1998,22(2):57-58

[5]侯作富,李卓球,胡勝良.硅灰對碳纖維導(dǎo)電混凝土電阻率和強(qiáng)度的影響.混凝土,2003,4(2):26-28

[6]水中和,趙正齊,李超,詹必浩.表面處理對碳纖維在水泥漿體中分散性的影響.武漢理工大學(xué)學(xué)報,2003,25(12):17-19

[7]楊元霞,毛起炤,沈大榮,李卓球.碳纖維水泥基復(fù)合材料中纖維分散性的研究.建筑材料學(xué)報,2001,4(1):84-88

[8]王闖,李克智,李賀軍,王君龍.表面熱處理碳纖維及其增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的電磁屏蔽性能.硅酸鹽學(xué)報,2008,36(10):1348-1355

[9]王闖,李克智,李賀軍.短切碳纖維在不同分散劑中的分散性.精細(xì)化工,2007,24(1):1-4