本发明属于建筑材料
技术领域：
，具体涉及多孔碳材料增强的碳纤维基建筑复合材料及制备方法。
背景技术：
：随着社会经济的快速发展，人们的生活水平得到了极大的提升，城市建筑业也快速兴起。建筑的现代化程度不断提升，功能不断多样化，建筑施工技术难度系数在不断上升，依靠传统的施工材料和技术，已经难以满足建筑在技术和功能上的要求。将碳材料用于传统建筑材料，可显著提升建筑结构的稳固程度，提高建筑结构在施工过程中的承载能力，降低施工的难度系数。中国专利cn100506740c公开的非金属纤维编织网短纤维联合增强水泥基复合材料，该复合材料包括非金属纤维编织网、非金属短纤维和水泥基基体组成，其中非金属纤维编织网是由碳纤维编织网、芳纶纤维编织网、耐碱玻璃纤维编织网、聚乙烯醇纤维编织网、聚乙烯纤维编织网或由以上纤维混编织成的混杂纤维编织网，将非金属纤维编织网和非金属短纤维加入水泥基中，短纤维主要用于限制裂缝宽度并使基体材料具有受力条件下产生多条细密裂缝的能力，非金属纤维编织网作为主要受力加强筋，承受载荷，使水泥基复合材料具有重量轻、无腐蚀、防磁化、超高韧性以及易施工等优点，提高水泥基复合材料的耐久性能和防腐蚀性能。中国专利cn102926502b公开的一种三维间隔织物增强水泥基复合材料布及其制备方法和施工方法，将水泥基复合材料构成的水硬性无机粉末材料填充到三维间隔织物，三维间隔织物包括上织布层、纤维丝层和下织布层，其中上织布层的网孔直径大于水硬性无水粉末的粒径，下织布层是织造紧密的密织织物，纤维丝层中填充水硬性无机粉末，三维间隔织物的原料为涤纶纤维丝、玄武岩纤维丝、碳纤维丝、芳纶纤维丝、尼龙纤维丝和聚丙烯纤维丝中的一种或者几种纤维丝编织而成，最后再上织布层的顶面设置密封层，防止水硬性无机粉末从上织布层的网孔中泄露，将材料与水接触后，再使用压力器对三维间隔织物施加向下的压力，并使三维间隔织物振动，使水泥性无机粉末从松散状态变得密实，该制备方法使用方法简单，避免了现场搅拌和浇注，且成本低廉、性能优异。由上述现有技术可知，碳纤维复合材料在水泥材料中的加固位置和加固方法的差异都会影响碳纤维复合材料对水泥基材料的性能，但是目前碳材料改性水泥基材料多用碳纤维，但是多孔碳材料对水泥基材料的改性方面研究并不多见。技术实现要素：本发明要解决的技术问题是提供多孔碳材料增强的碳纤维基建筑复合材料及制备方法，本发明将氮掺杂的多孔碳与水泥基复合材料混合制备得到多孔碳改性的水泥基复合材料，再置于碳纤维层之间，浇筑高分子聚合物或者水泥材料，冷却成膜，制备得到多孔碳材料增强的碳纤维基建筑复合材料。本发明制备的多孔碳材料增强的碳纤维基建筑复合材料中合理分布多孔碳、碳纤维及碳颗粒，显著提高碳纤维基建筑复合材料的机械性能和功能性。为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种多孔碳材料增强的碳纤维基建筑复合材料，其特征在于，所述多孔碳材料增强的碳纤维基建筑复合材料包括基材、多孔碳改性的水泥基复合材料和碳纤维，所述多孔碳改性的水泥基复合材料与碳纤维以层状分布于基材中。作为上述技术方案的优选，所述所述基材为高分子聚合物或者水泥砂浆。本发明还提供一种多孔碳材料增强的碳纤维基建筑复合材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)将柠檬酸钠置于管式炉中，在含氨气的气体氛围下，在500-1000℃下热处理10-24h，反应结束后，经酸洗和水洗后，冷冻干燥，最终得到氮掺杂的多孔碳材料；(2)将步骤(1)制备的氮掺杂的多孔碳材料研磨，加入热熔的高分子聚合物或者水泥基复合材料，混合均匀，得到多孔碳改性的复合材料；(3)将碳纤维均匀排布在模具中形成碳纤维基布层，铺一层步骤(2)制备的多孔碳改性的复合材料，再铺一层碳纤维基布层，浇筑热熔的高分子聚合物或者水泥基复合材料，在室温下冷却，取出，得到多孔碳材料增强的碳纤维基建筑复合材料。作为上述技术方案的优选，所述步骤(1)中，含氨气的气体为氨气、氨氩混合气体或者氨氮混合气体，所述氨气的含量不低于50％。作为上述技术方案的优选，所述步骤(1)中，酸洗的条件为2-10mol/l的盐酸、硝酸或者硫酸水溶液洗涤2-3次。作为上述技术方案的优选，所述步骤(2)或者(3)中，水泥基复合材料包括水泥和添加剂，所述添加剂为减水剂、引气剂、膨胀剂、增强剂、表面活性剂中的一种或者几种。作为上述技术方案的优选，所述步骤(2)中，多孔碳改性的复合材料中多孔碳的含量为1-10wt％。作为上述技术方案的优选，所述步骤(3)中，碳纤维基布层中碳纤维为12k的碳纤维，碳纤维之间的间隔为8-12mm。作为上述技术方案的优选，所述步骤(2)或者(3)中，热熔的高分子聚合物为pvc树脂或者酚醛树脂。作为上述技术方案的优选，所述步骤(3)中，多孔碳材料增强的碳纤维基建筑复合材料为泡沫结构或者实心结构。与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：(1)本发明制备的多孔碳材料增强的碳纤维基建筑复合材料中包括碳纤维和多孔碳材料，其中碳纤维是以一定的间隔排列形成的碳纤维层，作为支撑层，可显著提高建筑复合材料的力学强度和弹性模量，多孔碳材料研磨后与热熔的高分子聚合物或者水泥基复合材料混合，将多孔碳材料改性复合材料再置于碳纤维网中，不仅可以降低基材的渗透难度，提高建筑复合材料中基材的均匀性，而且将碳纤维网、多孔碳材料以及改性碳颗粒均匀合理的分布于基材中，显著提高建筑复合材料的力学强度、弹性模量、稳定性，提高建筑复合材料的承受力和可变形性，满足不同领域对建筑材料的使用需要。(2)本发明制备的多孔碳材料增强的碳纤维基建筑复合材料中多孔碳材料含有丰富的孔洞结构和良好的连通性能，可以将高分子材料和水泥基材料吸附其中，形成颗粒状，将颗粒状的多孔碳复合材料置于碳纤维层之间，颗粒状的多孔碳复合材料的粒径大部分大于碳纤维与碳纤维之间的间距，再浇筑热熔的高分子聚合物或者水泥基复合材料，热熔的高分子聚合物或者水泥基复合材料中含有的热量或者水分，促使颗粒状的多孔碳复合材料与基料混合形成一体，使碳纤维层和颗粒状的多孔碳复合材料被基材牢固包覆，且在冷却固化过程中，保持碳纤维的被拉伸状态，进一步提高碳纤维层的承受能力，因此，本发明制备的多孔碳材料增强的碳纤维基建筑复合材料不仅机械性能优异，而且还具有良好的耐热保温等功能，且通过调节基材的性能，可制备得到实心和泡沫状结构，进一步提高建筑复合材料的使用范围，市场前景广阔。具体实施方式下面将结合具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。实施例1：(1)将柠檬酸钠置于管式炉中，在氨气氛围下，在500℃下热处理10h，反应结束后，经2mol/l的盐酸水溶液洗涤2次后，水洗2次后，冷冻干燥，最终得到氮掺杂的多孔碳材料。(2)将氮掺杂的多孔碳材料研磨，加入热熔的pvc树脂，混合均匀，得到粒径为6mm的多孔碳改性的复合材料，其中，多孔碳改性的复合材料中多孔碳的含量为1wt％。(3)将12k的碳纤维按照间隔为8mm均匀排布在模具中形成碳纤维基布层，铺一层多孔碳改性的复合材料，再铺一层碳纤维基布层，浇筑相同的热熔的pvc树脂，在室温下冷却，取出，得到实心的多孔碳材料增强的碳纤维基建筑复合材料。实施例2：(1)将柠檬酸钠置于管式炉中，在含50％氨气的氨氩混合气体氛围下，在1000℃下热处理24h，反应结束后，经10mol/l的硝酸水溶液洗涤3次后，水洗3次后，冷冻干燥，最终得到氮掺杂的多孔碳材料。(2)将氮掺杂的多孔碳材料研磨，加入热熔的酚醛树脂，混合均匀，得到粒径为15mm的多孔碳改性的复合材料，其中，多孔碳改性的复合材料中多孔碳的含量为10wt％。(3)将12k的碳纤维按照间隔为12mm均匀排布在模具中形成碳纤维基布层，铺一层多孔碳改性的复合材料，再铺一层碳纤维基布层，浇筑相同的热熔的酚醛树脂，在室温下冷却，取出，得到泡沫的多孔碳材料增强的碳纤维基建筑复合材料。实施例3：(1)将柠檬酸钠置于管式炉中，在含50％氨气的氨氮混合气体氛围下，在800℃下热处理12h，反应结束后，经5mol/l的硫酸水溶液洗涤3次后，水洗2次后，冷冻干燥，最终得到氮掺杂的多孔碳材料。(2)将氮掺杂的多孔碳材料研磨，加入水泥基复合材料，其中水泥基复合材料包括水泥、减水剂、引气剂、膨胀剂、增强剂和表面活性剂，混合均匀，得到粒径为10mm的多孔碳改性的复合材料，其中，多孔碳改性的水泥基复合材料中多孔碳的含量为5wt％。(3)将12k的碳纤维按照间隔为10mm均匀排布在模具中形成碳纤维基布层，铺一层多孔碳改性的复合材料，再铺一层碳纤维基布层，浇筑相同的水泥基复合材料，在室温下冷却，取出，得到实心结构的多孔碳材料增强的碳纤维基建筑复合材料。实施例4：(1)将柠檬酸钠置于管式炉中，在氨气氛围下，在600℃下热处理20h，反应结束后，经8mol/l的硝酸水溶液洗涤2次后，水洗3次后，冷冻干燥，最终得到氮掺杂的多孔碳材料。(2)将氮掺杂的多孔碳材料研磨，加入热熔的pvc树脂，混合均匀，得到粒径为13mm的多孔碳改性的复合材料，其中，多孔碳改性的复合材料中多孔碳的含量为4wt％。(3)将12k的碳纤维按照间隔为10mm均匀排布在模具中形成碳纤维基布层，铺一层多孔碳改性的复合材料，再铺一层碳纤维基布层，浇筑相同的热熔的pvc树脂，在室温下冷却，取出，得到泡实心结构的多孔碳材料增强的碳纤维基建筑复合材料。实施例5：(1)将柠檬酸钠置于管式炉中，在含60％的氨氮混合气体氛围下，在900℃下热处理14h，反应结束后，经7mol/l的盐酸、硝酸或者硫酸水溶液洗涤2次后，水洗3次后，冷冻干燥，最终得到氮掺杂的多孔碳材料。(2)将氮掺杂的多孔碳材料研磨，加入水泥基复合材料，其中水泥基复合材料包括水泥、减水剂、膨胀剂、增强剂和表面活性剂，混合均匀，得到粒径为8mm的多孔碳改性的复合材料，其中，多孔碳改性的水泥基复合材料中多孔碳的含量为10wt％。(3)将12k的碳纤维按照间隔为8mm均匀排布在模具中形成碳纤维基布层，铺一层多孔碳改性的复合材料，再铺一层碳纤维基布层，浇筑水泥基复合材料，在室温下冷却，取出，得到实心结构的多孔碳材料增强的碳纤维基建筑复合材料。实施例6：(1)将柠檬酸钠置于管式炉中，在含70％氨气的氨氩混合气体氛围下，在1000℃下热处理10h，反应结束后，经10mol/l的盐酸水溶液洗涤2次后，水洗3次后，冷冻干燥，最终得到氮掺杂的多孔碳材料。(2)将氮掺杂的多孔碳材料研磨，加入水泥基复合材料，其中水泥基复合材料包括水泥、减水剂、引气剂、膨胀剂、增强剂和表面活性剂，混合均匀，得到粒径为15mm的多孔碳改性的复合材料，其中，多孔碳改性的水泥基复合材料中多孔碳的含量为1wt％。(3)将12k的碳纤维按照间隔为12mm均匀排布在模具中形成碳纤维基布层，铺一层多孔碳改性的复合材料，再铺一层碳纤维基布层，浇筑相同的水泥基复合材料，在室温下冷却，取出，得到泡沫结构或者实心结构的多孔碳材料增强的碳纤维基建筑复合材料。对比例1：(1)长度为5-10mm的碳短纤维加入水泥基复合材料，其中水泥基复合材料包括水泥、减水剂、引气剂、膨胀剂、增强剂和表面活性剂，混合均匀，得到粒径为6-15mm的碳短纤维改性的复合材料，其中，碳短纤维改性的水泥基复合材料中碳短纤维的含量为7wt％。(2)将12k的碳纤维按照间隔为8mm均匀排布在模具中形成碳纤维基布层，铺一层碳短纤维改性的复合材料，再铺一层碳纤维基布层，浇筑水泥基复合材料，在室温下冷却，取出，得到碳纤维基建筑复合材料。对比例2：将12k的碳纤维按照间隔为8mm均匀排布在模具中形成碳纤维基布层，铺一层水泥基复合材料基层材料，再铺一层碳纤维基布层，浇筑相同水泥基复合材料基层材料，其中水泥基复合材料基层材料包括水泥、减水剂、引气剂、膨胀剂、增强剂和表面活性剂，在室温下冷却，取出，得到碳纤维基建筑复合材料。对比例3：将长度为5-10mm的碳短纤维均匀分布在模具中形成碳纤维基布层，浇筑水泥基复合材料基层材料，其中水泥基复合材料基层材料包括水泥、减水剂、引气剂、膨胀剂、增强剂和表面活性剂，在室温下冷却，取出，得到碳纤维基建筑复合材料。将实施例3、5-6制备的长40cm、宽10cm、厚1cm的多孔碳材料增强的碳纤维基建筑复合材料以及对比例1-3制备的的碳纤维基建筑复合材料浇注完成24h后拆模，经标准蒸汽养护7d后，待其表面干燥测试得到的机械强度的结果如下所示：实施例3实施例5实施例6对比例1对比例2对比例3抗压强度(mpa)384137343124抗弯强度(mpa)394240363227由上表可见，本发明制备的多孔碳材料增强的碳纤维基建筑复合材料的机械性能显著增强。将实施例1-2、4制备的长40cm、宽10cm、厚1cm的多孔碳材料增强的碳纤维基建筑复合材料测试的压缩强度、弹性模量和导热系数分别为41-44mpa，1957-2001mpa，0.005-0.007w/(m·k)，具有良好的压缩和弹性，具有一定的热稳定性能。上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属
技术领域：
中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。当前第1页12