终版--大学生创新训练项目申请书.doc

编号：哈尔滨工业大学大学生创新训练项目申请书项目名称：复杂结构零膨胀碳纤维管的制备与性能研究申请级别： 省级 （国家级、省级、校级）执行时间： 2016 年 11 月至 2017 年 9 月负责人：王志远学号：1151900216联系电话子邮箱：923850346院系及专业：材料科学与工程指导教师：刘强职称：讲师联系电话子邮箱： 院系及专业： 材料科学与工程哈尔滨工业大学本科生院填表日期： 2016 年 11 月 4 日项目名称：复杂结构零膨胀碳纤维管的制备与性能研究 申请经费： 2000 元一、课题组成员：（包括项目负责人、按顺序）姓名性别所在院年级学号身份证号本人签字王志远男材料科学与工程15本1151900216342626199610144712邓路炜男材料科学与工程15本115190022122082119950926033X刘俊威男材料科学与工程15本115190021541272719970205401X额伊钦男材料科学与工程15本1151900301150823199801295817刘睿超男材料科学与工程15本1151900207120109199708236010二、指导教师意见： 签 名： 年 月 日三、院（系）专家组意见： 组长签名： （ 盖 章 ） 年 月 日四、学校专家组意见：批准经费： 元 组长签名： （ 盖 章 ） 年 月 日6五、立项报告1.项目简介 在航空航天领域有很多制件是在较宽的温度范围内工作,对于这些要求较高的结构材料,尤其是在精密要求的情况下,应该具有一定程度的热稳定性，这就需要选择低膨胀系数的高强度的材料1。本项目针对卫星对轻质、高尺寸稳定性、良好导电性的复杂结构管形构件的需求，拟开展管形构件材料体系选择、结构设计、成型制备及应用性能测试的研究工作。在老师的指导下，我们最终选择使用具有轻质、导电的特点的碳纤维增强树脂基复合材料为原材料，开展复杂结构碳纤维复合材料管件的制备及性能研究。碳纤维复合材料以其优异的性能广泛地应用于各个领域,良好的可设计性使其不仅能满足力学性能的要求,而且可以通过纤维铺层设计实现近零膨胀的特性，满足航空航天领域对低热膨胀系数材料的要求。 本项目旨在制作导电性良好，近零膨胀复杂结构碳纤维管，并将从碳纤维层叠结构设计、模具设计、材料成型、性能测试等多个方面展开研究。2.申请理由 组长王志远同学在大一期间完成了碳纳米管聚乙烯复合材料在高能电子辐照下的性能研究科技创新实验，具备丰富的经验和很强的领导能力。团队已就创新实验进行多次讨论并收集了大量文献和资料，对项目要求有了详细的了解，并最终对实验目标达成一致。团队将应用线性代数与理论力学计算出需要的层数，再通过计算得出每层的最佳层叠角度，采用AutoCAD进行管件成型模具的设计，应用实验对复合材料的性能进行测试。3.立项背景随着卫星技术的不断发展，遥测精度越来越高，保证电子器件的工作稳定性十分关键。由于卫星设备工作在较宽的温度范围内 (-40100)，这就要求不仅要保证部分电子材料的功能性，例如导电性，还要求具有良好的尺寸稳定性，主要是低的热膨胀系数。此外，材料及构件的轻量化对降低卫星的发展成本也是十分关键的。本项目针对卫星对轻质、高尺寸稳定性、良好导电性的复杂结构管形构件的需求，拟以具有轻质、导电的特点的碳纤维为主要原材料，开展复杂结构碳纤维复合材料管件的制备及性能研究工作。各种宇航器特别是卫星天线要用简材作支架，这种支架是天线系统的一个重要组成部分。支架性能的优劣直接影响天线的效益2，因此需要材料有良好的导电性与尺寸稳定性，而尺寸稳定性主要要求组成管材的原材料有接近于零的线膨胀系数，碳纤维增强树脂基复合材料具有这些特性。随着我国航空航天事业的发展，我国对碳纤维增强复合材料热膨胀性能的要求也越来越高，而目前国内外对采用一种纤维的增强层合复合材料的面内两主方向热膨胀系数同时趋近零的情况研究较少3。主要参考文献：1孙志杰，吴燕，仲伟红，张佐光，张大兴 零膨胀单向混杂纤维复合材料的研究 北京：北京航空航天大学2胡昭雄 高刚度、零膨胀系数碳、环氧管的设计、制造和试验 宇航材料工艺 1985年第一期3张淑杰，刘爽 基于纤维正交单元层合板面内零膨胀的模型优化分析 上海：同济大学 20154.项目实施方案 1.纤维层叠方式的设计 根据管件的外形尺寸，以管件热膨胀系数为设计准则，采用C语言进行编程，进行碳纤维铺层 设计。（负责人：刘俊威，刘睿超，额伊钦） 首先确定要做的板材厚度，按照厚度算出需要的层数，再通过计算得出每层的最佳层叠角度保 证使其保持零膨胀特性，按一定顺序叠层。（负责人：刘俊威，刘睿超，额伊钦）2.碳纤维管制备 a. 成型方式设计 根据管件的外形尺寸，结合碳纤维的铺层设计，确定管件的成型工艺，着重考虑铺层结构的 可实施性、管件尺寸的精度以及脱模的难易。 b模具设计 根据成型方式的设计，采用AutoCAD进行相应的管件成型模具设计，并选择合适材料制备高 精度的模具，需要考虑装配性及成型操作的难易性。 内芯模具要根据对管材规格的要求进行制作，因为纤维缠绕时受到压紧力，要求其集合形状 基本保持不变，因而在芯模原材料的选择上，最好选择具有良好刚性的金属材料，芯模的封头设 计尽量使用扁椭球式，这种形状可以保持筒身部分缠绕均匀，无堆积现象，防止出现“滑移“和“架 空“现象。（负责人：王志远，邓路炜） 3. 复合材料性能测试 a. 密度的测定 （阿基米德排水法） b热膨胀系数的测定 （热膨胀仪） c. 导电率的测定（四点接触法） d性能考核(应用单位考核) 5.项目特色与创新 碳纤维管材密度小、重量轻，其比重仅是钢材的四分之一，但是其抗拉强度很高，可达到3000MPa以上，是钢材的6-12倍，是塑料制品的几十倍。碳纤维材料能耐酸、碱、盐、部分有机溶剂及其它腐蚀性侵蚀，在防腐蚀领域有其它金属无法比拟的优越性，除此之外，其还有较好的耐水性和抗老化性，因此无论在腐蚀性的环境、恶劣的气候还是潮湿的环境中，碳纤维管材的使用寿命都可达到25年以上。现今，简单结构的碳纤维管比较常见，但复杂结构的碳纤维管比较少见，同时能使其具有零膨胀特性为本项目的创新之点。此外，为满足工程需要，本项目所设计的碳纤维管需采用复杂的成型工艺，并保证其内壁光滑，所生产的成品将进行性能测定。特色和创新：针对实际应用需求：1、选择碳纤维复合材料为研究体系，保证了轻质、导电的特点；2、解决复杂碳纤维复合材料管件的设计及制备技术； 3、满足了实际应用对低膨胀性能的要求；6.进度安排2016.11 开题答辩2016.11-2016.12学习相关内容，阅读相关文献2017.01-2017.02 成员相互交流，分别设计碳纤维管内芯模具与纤维层叠方式2017.03-2017.06进行试验，并初步制造成品2017.07-2017.08对设计进行调整，并再次试验2017.09 产品的性能检