可选中1个或多个下面的关键词，搜索相关资料。也可直接点“搜索资料”搜索整个问题。
碳元素是当之无愧的生命元素，由其组成的化合物衍生出了丰富多彩的生命世界。早在1985年，酷似足球的的发现便得到了世界范围内的广泛关注，其发现者更是因此而获得了诺贝尔化学奖。在对富勒烯的广泛研究下，日本的饭岛于1991年发现了碳纳米管。不过实际上，早在饭岛之前便有许多人在实验的过程中无意观察到并且制造出碳纳米管。然而这一新奇的事物并没有得到大家的重视。例如在二十世纪七十年代末期，新西兰的一些科学家在对两个石墨电极进行通电时，发现在石墨电极的表面生成了小的纤维簇，这实际上就是多壁碳纳米管。碳纳米管自发现以来，在力电光等物理特性方面显示出许多超乎人们预想的优越性能。于是激起众多科学家对它的研究，而其不可估量的应用价值也在不断地被发掘。
碳位于元素周期表第六号，第四族元素的起始元素。在对碳元素的长期研究中，人们已经观察到碳元素的多种同素异形体，比如富勒烯、石墨、金刚石等等。在一个碳原子共有六个电子，它的电子排布方式是。碳纳米管可以被认为由石墨片通过卷曲而形成的纳米级的圆管。一般而言，碳纳米管有单壁碳纳米管和多壁碳纳米管这样两种典型的基本结构。
单壁碳纳米管相当于通过石墨片卷曲所致，在石墨片的卷曲过程中，因为石墨片保持内部的六边形结构不变，于是我们可以以六边形的取向定义不同的单壁碳纳米管，从而有了扶手、手性、锯齿等类型的碳纳米管。与单壁碳纳米管不同，多壁碳纳米管可以视为是由同心单壁碳纳米管相互套装而得。在多壁碳纳米管中，不同层之间作用有较弱的范德华力。
在物理性能上，碳纳米管极具优越性。在力学性能上，碳纳米管纤维束（即CNTs）的抗拉强度在50到200GPa之间。这意味着碳纳米管虽然只有钢密度的1/6，但是抗拉强度却是钢的一百倍左右，比一般的石墨纤维高出了整整一个量级。碳纳米管的弹性模量可以达到1TPa，这个值大约是钢的五倍，类似于金刚石。碳纳米管更是当今可以制造出的，比强度最大的材料。如果将碳纳米管与其他在工程上广泛应用的材料结合制成复合材料，那么所得的材料在弹性、强度、各向同性等许多力学性能方面都会有显著的改善。从硬度的角度来看，碳纳米管与金刚石差不多，可是却柔韧的多，可以进行拉伸。
碳纳米管因为其优越的性能而受到大家的普遍关注。碳纳米管自被发现以来，人们从许多不同的角度对其展开深入而细致的研究工作。这些工作包括：实验研究、原子研究、基于经典力学（连续体理论）的研究、多尺度研究。
现今对碳纳米管的实验研究中利用的设备通常为原子力显微镜等等。实验研究和测量的主要内容是碳纳米管的一些基本的力学量。因为碳纳米管的尺度非常小，所以相关的实验测量工作大多数是间接展开的。
原子研究是对碳纳米管进行理论分析的有效手段。分子力学方法和分子动力学方法主要是基于奥本海默近似假设。量子力学方法不借助任何基本物理常数以及原子量之外的实验测量数据，是一种非常准确的研究方法。但是在分子模拟中，一旦原子电子数目过多、量子力学的使用便会遇到瓶颈。
经典力学中的连续体理论的方法也被用来对碳纳米管进行研究，其目的在于避免原子研究方法在空间尺度和时间尺度上的局限。包括基于梁板壳和有限元的方法，以及近些年来新发展出来的，基于静力平衡或者能量原理的分子力学方法。这些方法主要用于研究碳纳米管的变形、屈曲、振动频率、坍塌等等力学行为。
然而任何方法都有其局限性，为了研究碳纳米管的微观结构以及层级间相互作用的内在机理，同时节约计算时间与计算空间，许多学者使用多尺度模拟的方法。这些多尺度研究方法主要包括有：耦合原子模拟方法、连续体方法、准连续体方法等等。
碳纳米管由于它的极其优越的力学性能而被认为是许多复合材料理想的增强填充材料。如果从抗拉强度与弹性模量上来看，碳纳米管是当之无愧的最强合成材料之一。单壁碳纳米管具有接近1TPa 的弹性模量以及高于50GPa 的抗拉强度，质量密度却低至1.3-1.4g / cm3。十多年以来，人们对碳纳米管的复合材料进行了大量的实验研究，其根本目的在于利用其极高的强度与刚度。然而事与愿违，由于一些极具挑战性的难题，包括界面的薄弱，分布的不均，缺乏优良的设计等等。到目前为止，在这些方面人们取得的成果还很有限。
在复合材料中，碳纳米管和基质之间的相互作用以及碳纳米管与碳纳米管之间的相互作用都是由范德华力引起的。然而范德华力是很微弱的，如此微弱的力一般不能阻止碳纳米管从基质中拉出来，失效几乎不可避免。
目前人们发展出两种方法来改善碳纳米管之间的相互作用以及碳纳米管和基质之间的相互影响。第一类方法是通过电子辐射，离子辐射的方法，或者是在碳纳米管与基质混合之前，通过在碳纳米管表面进行化学修饰，从而在碳纳米管与碳纳米管之间以及碳纳米管和基质之间引入共价交联。这些方法可以显著地提高碳纳米管复合材料的界面强度，从而极大地提高碳纳米管复合材料的力学性能。但是化学处理的方法不可避免地带来一些难以预料的额外缺陷。第二类方法是采用纯物理的方法，比如对碳纳米管纤维束进行扭转，或者添加其余一些聚合物相作为粘合剂，用于增强碳纳米管间的相互作用。这种方法有效地防止了碳纳米管纤维被化学作用降解，但是由此方法得到的碳纳米管纤维束的界面强度通常不如共价交联的碳纳米管纤维束。当然不论化学的方法还是物理的方法，在研究超高性能碳纳米管复合材料的发展中都具有极大的潜力。
另外一个困难的问题是如何改变相应材料中碳纳米管的分布与排列。事实上在材料合成的过程中，碳纳米管总是在范德华力的作用下自组装成为束结构。然而自组装的行为同时导致了碳纳米管在大多数水溶液中并不优异的分布。人们在这些方面已经取得了一些不错的进展。例如人们已经发展出许多方法来在一个方向上排列碳纳米管，这里面包括力场方法，磁场方法等等。
然而，值得注意的是，目前学术界有一种将生物材料机理引入到材料设计中的趋势。有人受贻贝螺纹的启发来增强碳纳米管纤维束，与未经过处理的碳纳米管纤维相比较，抗拉强度提高了将近500％。尽管人们在许多方面都取得了成功，但是对碳纳米管中碳纳米管的结构和组织模式的研究还很有限，尽管这些因素已经被证明在纤维束的力学性能中起着关键的作用。
呈现细长纤维形式的胶原蛋白是各种生物组织的主要结构蛋白，例如肌腱，韧带，牙齿和骨骼等等。作为生物承重材料的主要成分，胶原蛋白纤维具有许多优良的力学性能，展示出分层设计纳米材料的优点。近年来人们从力学的角度出发来研究结构与功能的关系，并表明纤维交错排列的方式、交联的密度以及交联的分布对纤维束的力学性能都有着极为重要的影响。
对于当前碳纳米管材料的研究，弱界面以及交错模式的选择仍是限制碳纳米管材料发展的重要一环。人们在胶原蛋白纤维中观察到了纵向错排和横向连接的结构特征。近年来有人把胶原蛋白的这种结构引入到碳纳米管纤维的微结构设计中来，并应用化学方法在纤维之间引入共价交联，发展仿生碳纳米管纤维。本文主要的目的在于研究交联分布的模式对碳纳米管纤维束力学性能的影响，并对纤维束中的应力分布、应变分布、位移分布、位错分布进行了研究，并探讨交联密度以及交错方式对碳纳米管纤维束力学性能的影响。本文采用的主要方法是理论推导计算公式，并利用MAPLE软件进行编程，从而对上面所提的问题进行比较充分详细的研究。
第二章主要介绍了基于弗洛奎均匀化理论的纤维束模量计算理论，是本文工作的重要基础。
第三章主要介绍纤维束等效杨氏模量及应力分布的计算方法与编程，是本文的理论工作。利用理论分析的方法，建立了求解纤维束力学量的线性方程组。
第四章主要是对一些实例的具体分析。借助计算程序分析研究了共价交联三种分布模式的应力、应变、位移、位错等力学量的分布。分析比较了三种交联模式在力学性能上的差异。分析了交联密度对纤维束力学性能的影响。分析了半交错与四分之一交错模式对纤维束力学性能的影响。
第五章是对全文的总结以及本文工作进一步发展的思考。已赞过已踩过你对这个回答的评价是？评论收起为你推荐：1 2
