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《上海大学》 2007年
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结构缺陷和接枝对碳纳米管弹性性质的影响

袁剑辉  
【摘要】: 大量的理论计算和实验表明,碳纳米管具有很好的力学性质,其应用前景十分广阔。但目前对碳纳米管研究大多局限于纯理想结构体,与实际情况尚存差距。碳纳米管优良力学性质形成机理尚不十分清楚,碳纳米管生成缺陷、杂质对其力学性质的影响、以及怎样获取优良力学性能的碳纳米管复合材料等与实际应用密切相关的问题,目前研究较少。 本文主要采用分子动力学方法计算了单壁碳纳米管的基本弹性性质和各种结构缺陷,如空位、杂质及端口接枝等对碳纳米管弹性模量的影响,并结合基于密度泛函理论的局域密度近似确定的原子间电子云耦合作用规律、变形电子密度变化规律及化学键合理论等对其结果进行了深入的理论分析。本文研究主要包括以下四个方面: 1.基于量子力学第一性原理计算了一系列单壁碳纳米管(扶手椅型、锯齿型)的杨氏模量、平衡基矢长度、泊松比及形成能量,研究了碳纳米管基本弹性参数及结构稳定性与管型、管径的关系。结果表明:扶手椅型碳纳米管杨氏模量随手性矢量增大而减小,但锯齿管杨氏模量随手性矢量增大呈波动性上升,以金属性管较低;碳纳米管泊松比基本不随管径发生变化;稳定结构的碳纳米管管径不可能无限小,应存在下限值。 2.研究了碳纳米管基本的空位缺陷形式、缺陷比率、缺陷间距及分布状态等对单壁碳纳米管杨氏模量的影响,并通过分子间σ键与π键特征及缺陷间近程电子云耦合作用与空位缺陷内部5-1DB缺陷形成的综合效果等规律对其结果进行了合理分析。结果表明:杨氏模量随缺陷比率增加而呈台阶式下降规律:双空位缺陷对碳纳米管杨氏模量的影响与其分布方向有关;当单点空位缺陷间原子沿轴向分布时,杨氏模量随缺陷间距增加下降到某一值后,然后以此值为中心小幅波动,而当单点空位缺陷间原子沿周向分布时,杨氏模量随缺陷间距增加先下降,然后振荡走高到某一稳定值,随两单点空位缺陷的空间距离的进一步增大,杨氏模量又呈微降趋势。 3.研究了B、N、O、Si、P、S等6种杂质元素及BN杂质分子对扶手椅型(5,5)和锯齿型(9,0)单壁碳纳米管杨氏模量的影响,并通过掺杂碳纳米管的电子密度、系统弹性势能及基于密度泛函理论确定的原子间电子云耦合作用规律对单壁碳纳米管杨氏模量的掺杂效应进行了分析。结果表明:碳纳米管杨氏模量均随掺杂比率增加近似呈线性下降规律,但随杂质种类及掺杂方式而异:与C原子半径接近的杂质元素对碳纳米管的杨氏模量影响较小;高比率的BN双掺杂对锯齿型碳纳米管影响甚微。 4.通过对扶手椅型和锯齿型单壁碳纳米管端口接枝不同数量的羧基和羟基,对其结构进行了优化与模拟计算,研究了碳纳米管杨氏模量的接枝效应,并分别从接枝后碳纳米管变形电子密度等值线结构变化、键长变化和系统势能变化规律等方面,对单壁碳纳米管弹性模量的接枝效应进行了分析。结果表明:接枝羧基对锯齿管杨氏模量影响较大,对扶手椅管杨氏模量影响很小,而接枝羟基对扶手椅管杨氏模量影响较大,对锯齿管杨氏模量影响甚微;碳原子外层电子耦合形成的σ键和π键对碳纳米管弹性模量均可能产生影响,但对弹性模量的贡献主要来源于σ键。 本文研究结果将丰富碳纳米管力学性质的研究成果,也为碳纳米管的应用研究提供参考。
【学位授予单位】:上海大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:O483

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