碳纤维的机械性质开题报告

1. 研究目的与意义

碳纤维是由碳元素组成的一种特种纤维。具有耐高温、抗摩擦、导电、导热及耐腐蚀等特性 外形呈纤维状、柔软、可加工成各种织物，由于其石墨微晶结构沿纤维轴择优取向，因此沿纤维轴方向有很高的强度和模量。每一根碳纤维由数千条更微小的碳纤维所组成，直径大约5至8微米，几乎全部由碳构成。在原子层面，碳纤维跟石墨很相近，是由一层层以六边形模式（石墨烯薄片）排列的碳原子所构成。两者差别在于层与层之间的连结的方式。石墨是晶体结构，它的层间连结松散，而碳纤维不是晶体结构。层间连结是不规则的。这样便防止滑移，增强物质强度。一般碳纤维的密度为1750kg/m3。导热能力高但传电能力低，碳纤维的比热容亦比铜低。当加热的时候，碳纤维会变厚而短。虽然碳纤维的天然颜色是黑色，但可以把它染上不同的颜色。碳纤维的密度小，因此比强度和比模量高。碳纤维的主要用途是作为增强材料与树脂、金属、陶瓷及炭等复合，制造先进复合材料。

人类制造出碳纤维已有 100 多年的历史，1860 年，英国人 j.swan 是第一个研制碳丝的人，最初的目的是用碳丝作为电灯泡的灯丝。十九世纪七、八十年代，爱迪生把亚麻、竹子等植物纤维通过碳化后得到碳纤维，目的也是研制电灯丝，虽然用碳丝 制作成的电灯具有一定的实用性，但是由于后来用钨丝作为灯丝具有更高的优越性， 钨丝成功代替碳丝而成为电灯丝，所以碳纤维的研究和制备出现了停滞期，直到 20 世纪 50 年代，美国某空军基地展开了对 rayon碳纤维的研制，随后美国联合碳化物公 、司(uoc)报道了使用人造原料丝通过控制热解制造出碳纤维，至此国际上涌现出了研究碳纤维的热潮。

近几十年来，由于碳纤维具有许多优异性能，所以碳纤维在航空航天、军事、建筑、交通等领域都得到了广泛的应用。目前其应用领域主要在航空航天飞行器（卫星、运载火箭、战术导弹、飞机等）上，主要是其可大幅度减轻结构预制件重量，用碳纤维材料制造的上层建筑，在减轻船体重量的同时，可通过在夹层中嵌入有滤波功能的频率选择层，就可以在预定的频率下发射和接受电磁波，从而屏蔽敌方的雷达电磁波。进一步提高技术性能。同时，在工业,民用产品等领域的应用也在不断开发、扩大。例如高级文体用品、运输车辆、医疗器械、建筑材料等。

2. 研究内容和预期目标

在众多纳米结构中，碳纳米管的螺旋结构具有十分重大的研究价值。碳纳米管是一种一维的纳米材料，我们平时所说的离子电池、电容器、传感器等都与碳纳米管有着不可分割的关系。碳纳米管外径长度约为几纳米，最高也只能达到几十纳米，部分内径甚至不到1nm。碳纳米管中的六边形结构会不断延伸，当延伸至产生五边形结构时，就会表现出凸出现象，而产生七边形结构时则会表现出凹进现象。石墨烯是由碳六元环组成的两维(2d)周期蜂窝状点阵结构,它可以翘曲成零维(0d)的富勒烯(fullerene),卷成一维(1d)的碳纳米管(carbonnano-tube, cnt)或者堆垛成三维(3d)的石墨(graphite),因此石墨烯是构成其他石墨材料的基本单元。石墨烯的基本结构单元为有机材料中最稳定的苯六元环, 是目前最理想的二维纳米材料。理想的石墨烯结构是平面六边形点阵，可以看作是一层被剥离的石墨分子，每个碳原子均为sp2杂化，并贡献剩余一个p轨道上 的电子形成大π键，π电子可以自由移动，赋予石墨烯良好的导电性。

纳米碳基材料，如碳纳米管和石墨烯，因其理论比表面积大、杨氏模量大、导热性和导电性好，以及超高的电子迁移率等优异性能而受到广泛的研究。将单个碳纳米管或石墨烯组装成宏观结构，将其优异的物理和化学性能集成到宏观层面具有重要的现实意义。碳纤维作为高性能纤维的代表，以其较高的拉伸强度和拉伸强度而被广泛应用于航空航天、汽车、电子、机械、化工、纺织等民用工业中。碳纳米管和石墨烯的一维宏观结构，即碳纳米管纤维和石墨烯纤维，在结构和结构上类似于碳纤维。此外，它们具有良好的柔韧性和优良的导电性和导热性，使其成为结构-功能集成材料的潜力。本课题旨在系统地了解碳纳米管纤维和石墨烯纤维的机械性质。

论文任务要求：

3. 研究的方法与步骤

研究方法：

文献研究法：根据一定的研究目的或课题，通过调查文献来获得资料，从而全面地、正确地了解掌握所要研究问题。

定性分析法：运用归纳和演绎、分析与综合以及抽象与概括等方法，对获得的各种材料进行思维加工，认识事物本质、揭示内在规律。

4. 参考文献

5. 计划与进度安排

第八学期：

第1周 2022年2月24日-3月1日 动员与交流 毕业论文工作动员，组织指导老师和青年教师进行交流、培训。

第1周 2022年2月24日-3月1日 下发毕业论文任务书 指导教师完成在系统中毕业论文任务书的下发，系主任审核任务书。指导教师向学生讲授所选论题的状况和要求。