一种便于观测石墨烯调控水泥水化晶体形貌的新型扫描电镜试样制备方法与流程

1.本发明涉及一种sem试样制备方法，特别涉及一种便于观测石墨烯调控水泥水化晶体形貌的新型扫描电镜试样制备方法。


背景技术：

2.基于石墨烯优异的电学、力学性能，掺入石墨烯的水泥基复合材料的各项性能均有明显提高，为进一步从微观上分析石墨烯对水泥基材料的增韧机理，大量学者通过扫描电子显微镜（sem）观察石墨烯改性水泥基材料内部孔隙大小以及水泥水化产物的表面形貌及微观结构。通常我们将石墨烯以一种分散液的形式直接加入水泥中，之后按照一定的水灰比制备水泥净浆试样，但因为石墨烯尺寸很小，单层石墨烯厚度约为0.35nm，且在水泥基材料中掺量很少，这种常规试样制备方法难以观察到石墨烯上水化产物的生长形态，验证其对水泥水化产物的模板效应、拉拔效应等，并且常规方法制得的石墨烯在水泥基中呈三维乱向分布状态（如图6所示），无法准确观察到水泥水化产物在石墨烯表面的生长状态。


技术实现要素：

3.本发明要解决的技术问题是：提供一种便于观测石墨烯调控水泥水化晶体形貌的新型扫描电镜试样制备方法，该方法制备得到包括水泥浆垫层、石墨烯层、水泥灰面层的夹层结构试样，相较于传统的石墨烯水泥净浆sem试样的制备方法，缩短了观测时间，使石墨烯在水泥基中呈大致的二维定向分布状态，能更准确的观测到石墨烯对水泥基材料水化产物结构的影响，为分析石墨烯对水泥基材料增强增韧性能的机理奠定基础。
4.解决上述技术问题的技术方案是：一种便于观测石墨烯调控水泥水化晶体形貌的新型扫描电镜试样制备方法，包括如下步骤：（1）制备水泥浆垫层：按照0.26～0.33的水灰比配制水泥浆体，先称取水泥和水，再称取水泥质量0.2～0.5%的聚羧酸减水剂，将聚羧酸减水剂加入水中搅拌均匀，再加入水泥搅拌均匀得水泥净浆，将水泥净浆均匀分布在玻璃板上，厚度为1～5mm；（2）配制石墨烯分散液：取0.1g～0.4g的聚羧酸减水剂溶解于50ml～200ml的蒸馏水中搅拌均匀得pcs溶液，称取固含量为1～5wt%的石墨烯浆体加入到pcs溶液中，石墨烯浆的加入量为蒸馏水质量的0.5-2%，然后经过超声波和机械搅拌同时处理后制备得到石墨烯分散液；（3）将石墨烯分散液均匀滴在步骤（1）制得的水泥净浆上，石墨烯分散液的滴加量以布满水泥净浆表面且不溢出为宜，之后在石墨烯层上用250～350目标准检验筛均匀撒上水泥粉1～2g，即得到最下面一层水泥浆垫层、中间层为石墨烯层、表面层为水泥灰面层的扫描电镜试样。
5.进一步的，步骤（2）超声波和机械搅拌同时处理的具体操作为：超声波频率为300～500w，机械搅拌转速为200～400r/min，搅拌时间为15～60min。
6.本发明的“夹层”制备法制备的试样包括水泥浆垫层、石墨烯层、水泥灰面层。水泥基复合材料（混凝土、胶砂等）是目前使用量最大的建筑材料，水泥基复合材料存在的最大缺陷是高脆性及由此导致的裂缝和渗透等问题，这是造成其在使用过程中力学性能下降及使用寿命缩短的主要原因。水泥基复合材料的高脆性主要由其中的硬化水泥浆体（水泥石）引起，而水泥浆体由水泥水化过程所产生的钙矾石（aft）、单硫型水化硫酸铝（afm）、氢氧化钙（ch）和水化硅酸钙凝胶（csh）等组成，它们的形状和结构对水泥基复合材料的脆性有重要的影响。水泥基复合材料高脆性的力学特征是抗压强度高，而抗拉强度和抗折强度偏低。目前克服水泥基复合材料脆性及裂缝的主要方法是添加钢筋、钢纤维、碳纤维、聚合物纤维、矿物纤维等增强材料，其实质是依靠这些增强材料的高强度和高韧性提高水泥基复合材料整体抵抗裂缝的能力。由于这些增强材料不改变水泥水化反应产物的结构，因此水泥浆体的高脆性及裂缝等问题依然存在。所以，寻找一种通过改变水泥水化反应产物的结构来提高水泥基材料韧性的方法对于制备高性能、长寿命水泥基复合材料具有重要意义。石墨烯是一种新型碳纳米材料，具有超大比表面积，极高的力学性能，导电系数高，导热性能强等优异特点，是现阶段所有材料中强度最强，硬度最高的晶体材料，将其掺入水泥砂浆中可以提高试件的力学、导电、导热等性能。余东升等的研究表明，掺0.03%石墨烯的水泥复合材料28 d 抗折和抗压强度较纯水泥分别提高了95.3%和78.3%。jiang和wang的研究认为，掺0.05%石墨烯的水泥基复合材料28 d抗压、抗折强度较纯水泥分别提高了8.9%及20%，弯曲韧性和断裂点位移较纯水泥试样分别提高了55.9%和52.1%。虽然相继有学者提出石墨烯的增强机理是模板效应（石墨烯的掺入使得水泥水化产物向着规整有序的片层状及其聚集体的趋势发展，形成规整晶体使水泥结构更加的密实）与填充作用，但都缺乏深入的研究论证。在微观上，通过sem观察到石墨烯的模板效应、调控作用等的论文研究十分稀少，这主要是由于石墨烯在水泥基材料里的掺量较少；且尺寸较小,单层石墨烯厚约为0.35nm，难以通过常规的制备方法观察到石墨烯对水泥基材料增强增韧的效应。
7.本发明制备的试样采用的原理是：将石墨烯分散液均匀滴在最下面一层水泥净浆上，是因为石墨烯的含氧基团可吸附分散液中的自由水，并与下面的水泥净浆垫层发生水化反应从而紧密的结合起来，且水分蒸发的时候，石墨烯不易从水泥净浆垫层脱落。上面撒上水泥粉，则是为了能够让水泥水化产物精准地生长在石墨烯上面，同时方便sem观察。与传统制备方法相比：可以方便、快捷迅速的观测石墨烯上的水化产物微观形貌，分析石墨烯对水泥基材料产生的拉拔效应、模板效应等，为研究石墨烯改性水泥基或混凝土材料的耐久性能等奠定基础。
8.下面，结合附图和实施例对本发明之一种便于观测石墨烯调控水泥水化晶体形貌的新型扫描电镜试样制备方法的技术特征作进一步的说明。
附图说明
9.图1：本发明制备的新型扫描电镜试样示意图。
10.图2：本发明实施例1制备试样的sem照片。
11.图3：本发明实施例2制备试样的sem照片。
12.图4：本发明实施例3制备试样的sem照片。
13.图5：本发明实施例4制备试样的sem照片。
14.图6：本发明背景技术中记载的常规方法制备试样的sem照片。
15.图1中：1-玻璃板，2-水泥浆垫层，3-石墨烯层，4-水泥灰面层。
具体实施方式
16.实施例1：一种便于观测石墨烯调控水泥水化晶体形貌的新型扫描电镜试样制备方法，包括以下步骤：步骤一：制备水泥浆垫层：按照0.29的水灰比配制水泥浆体，称取141.5g的水泥，41.0ml的水，水泥质量0.3%的聚羧酸减水剂（以下称pcs），将pcs加入含有41.0ml水的烧杯中搅拌均匀，再将水泥加入烧杯中用玻璃棒将水泥、pcs、水均匀搅拌得到水泥净浆(粘稠状浆体)，然后将搅拌好的水泥净浆均匀分布在玻璃板上，厚度为3mm左右。
17.步骤二：配制石墨烯分散液，取0.2g的聚羧酸减水剂溶解于100ml的蒸馏水中搅拌均匀得pcs溶液，称取固含量为2wt%的1号石墨烯浆体加入到pcs溶液中，石墨烯浆的加入量为蒸馏水质量的1%，然后经过超声波＋机械搅拌同时处理后制备得到1号石墨烯分散液。采用超声波频率为300～500w、机械搅拌转速为200～400r/min，搅拌时间为25min。制备1号石墨烯浆体的1号石墨烯中位片径大小为12.2μm，层厚5.78 nm。
18.步骤三：用胶头滴管将少量石墨烯分散液均匀滴在水泥净浆上（石墨烯分散液以布满水泥净浆表面且不溢出为宜），之后在石墨烯层上用325目标准检验筛均匀撒上水泥粉约2g，即得到最下面一层水泥浆垫层、中间层为石墨烯层、表面层为水泥灰面层的扫描电镜试样（如图1所示）。将扫描电镜试样放置在标准养护箱中养护至相应龄期后进行sem观测。
19.实施例2：基本步骤同实施例1，仅采用石墨烯种类不同，其采用的2号石墨烯中位片径大小为9.2μm，层厚5.78 nm。
20.实施例3：基本步骤同实施例1，仅采用石墨烯种类不同，其采用的3号石墨烯中位片径大小为9.1μm，层厚4.76nm。
21.实施例4：基本步骤同实施例1，仅采用石墨烯种类不同，其采用的4号石墨烯中位片径大小为5.6μm，层厚2.72nm。
22.应用实例：本发明各实施例放置在标准养护箱中养护3天后进行sem观测，得到sem图如图2～5所示，通过sem可观察到由本发明制备的试样，石墨烯上有明显花簇状的水化产物生成，且在石墨烯边缘位置居多，可在微观上验证石墨烯的增强机理是模板效应（石墨烯的掺入使得水泥水化产物向着规整有序的片层状及其聚集体的趋势发展，形成规整晶体使水泥结构更加的密实）与填充作用。