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异型碳纳米管的力学性质研究

田丽丽  
【摘要】:自从碳纳米管问世以来,各界学者对碳纳米管的研究如星火燎原般在全世界范围内展开。经过近三十年的研究,实验学家们已能在实验中实现各种尺寸的聚团状/垂直阵列/水平阵列的单壁/多壁碳纳米管的宏量制备,并且应用碳纳米管卓越的导电、导热、磁学、光学及力学等特性,制造了具有高导电性、高强度、高硬度、超疏水等性能的产品。全世界每年关于碳纳米材料的专利呈指数级增长,碳纳米材料已然颠覆了人们传统的生活方式和思维方式。在充分了解直单壁碳纳米管的基础上,对异型碳纳米管的研究也日渐兴盛,异型碳纳米管不仅有直碳纳米管的优异特性,还因其特殊的形状形态使其能突出强化某一方面的特性,从而可用于特殊结构和用途的元件设计。本论文主要针对Y型碳纳米管、环型碳纳米管及螺旋型碳纳米管,采用分子动力学方法,基于第二代Brenner势,系统地研究了它们的结构、热力学稳定性及力学性质,并且从原子的角度探索了其在载荷作用下的失稳破坏机理。异型碳纳米管的产生主要是在六边形的网格中引入五边形、七边形及八边形等缺陷产生曲率的变化。例如:C3对称的Y型碳纳米管,每两个支管间由两个七边形提供曲率的改变;环型/螺旋型碳纳米管,其内部由七边形缺陷提供负曲率,外边缘由五边形缺陷提供正曲率。为了研究异型碳纳米管本身的缺陷对其力学性质的影响,首先对Y型碳纳米管的三个分支同步施加轴向拉伸载荷,研究了其失效破坏机理。研究发现:夹角处的七边形在拉伸载荷的作用下会产生以螺旋方向向外扩散的剪切带,从而在支管上剪切带叠加的位置激发产生Stone-Wales转化,使应变能得到有效释放。随着加载的继续,缺陷迅速演化,由多个不稳定的四、五、七小缺陷环汇聚成大缺陷环,进而裂带,产生明显的颈缩现象,最后断裂成碳烯链结构。和直碳纳米管断裂不同的是:Y型管的失稳破坏机理可以由剪切带理论预测,失稳只发生在一个分支上。我们还研究了温度对Y型碳纳米管破坏机理的影响,得出结论:随着温度的升高,Y型碳纳米管进入塑性变形阶段的临界应变变小。螺旋型碳纳米管在轴向拉伸载荷作用下的力学性质和失效破坏机理也被系统研究。根据七边形缺陷相对于管轴的分布,四种互为同分异构体的螺旋结构被构建。分子动力学的模拟结果表明:四种螺旋结构在弹性部分的力学性质相当,弹簧弹性系数相差不大,与缺陷分布基本无关;但是,弹性极限和在整个塑性阶段的破坏方式却与缺陷位置高度相关。螺旋型碳纳米管内部的七边形缺陷参与缺陷核的形成,即七边形中最靠近管轴线的一个C-C键首先发生Stone-Wales转化,当与周围三个六边形生成较稳定的五、七缺陷的结构时,该结构的柔性更好,断裂应变最大,高达185%,相反,生成不稳定的八边形缺陷时,该结构就相对易断裂,断裂应变缩小一倍,只有90%。可见,本身存在的缺陷不一定都是降低力学性质。环型碳纳米管是封闭圆环结构,在电磁学方面具有突出的优点。本文以一段碳纳米管为生长核,构建了一系列不同几何尺寸的环型结构,用分子动力学方法研究了几何参数对结构稳定性的影响。研究指出:由五个重复单元构成,且表面光滑、结构高度对称的圆形结构最稳定。受“裁剪布料缝制衣服”构思的启发,本文最后一章是关于裁剪石墨烯片缝合成C3对称的Y型碳纳米管的研究。设计思路是:已知设计目标的几何尺寸(包括支管手性、支管直径和中心结大小),反推石墨烯片上的设计图纸,然后根据设计图纸去裁剪石墨烯片,从而达到制作特定尺寸Y型碳纳米管的目的。并按该方法构造了8种支管手性为椅型和之型的Y型碳纳米管,研究了支管手性和直径对拉伸荷载下的力学性能的影响,指出:在小变形阶段,支管手性和管径对杨氏模量的影响不大;椅型支管的Y型碳纳米管的临界应变明显高于支管手性为之型的;对于椅型Y型碳纳米管,临界应变随管径的增大而减小,相反,对于之型Y型碳纳米管,临界应变随管径的增大而增大。本论文对三种典型异型碳纳米管的力学性质研究和缺陷演化分析,揭示了异型碳纳米管不同于直管的力学性质和其在塑性阶段的缺陷演化的机理,对其在纳米器件中的应用提供理论支持。


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