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单壁和双壁碳纳米管分子静力学模型研究

胡永明  
【摘要】: 1991年人们首次用电弧蒸发法合成了一维碳材料,碳纳米管,由于碳纳米管具有卓越的力学、电学和热学等性质,一经发现就引起了许多领域的科学家们的强烈关注。对碳纳米管性质的研究一般采用实验技术或计算机模拟方法,但是碳纳米管尺度很小,直径一般在纳米量级,长度在微米量级,现代的实验技术很难对其力学性能进行直接的测试,使得计算机模拟成为目前普遍的研究手段。 用计算机模拟碳纳米管的性质时首先要准确的建立碳纳米管模型。纳米尺度下材料模型的建立一般是根据已知材料的原子排列或晶格结构直接给定,这并不能保证模型中所有粒子处于平衡状态。本文采用分子力学方法,结合改进的Morse势能、Lennard-Jones势能,建立系统总势能与原子位置的函数关系,通过将总势能对原子位置求极值,使系统能量达到最小,获得碳纳米管的平衡构型。 基于分子力学理论,本文采用改进的Morse势能来描述原子间的成健势,包括二体和三体相互作用,采用Lennard-Jones势来描述非成健势,即范德华力。模型的建立方面,根据完美无缺陷石墨片的晶格参数得到石墨片的初始构型,通过映射使石墨片卷成碳纳米管,得到碳纳米管的初始构型。采用Newton-Raphson迭代方法,逐步释放不平衡力,满足一定的收敛条件后即得到系统的平衡构型。在此基础上,讨论了不同直径的扶手椅型、锯齿型单壁碳纳米管的平衡构型,并对碳纳米管的弹性拉伸力学行为进行了模拟。最后,初步讨论了扶手椅型双壁碳纳米管的平衡构型。 本文的计算结果表明,相对于由石墨片映射得到的碳纳米管初始构型,平衡状态下碳纳米管的直径增加,长度减小,越细的管尺寸变化的幅度越大。杨氏模量同样具有尺寸效应,随着碳纳米管直径的增加而增加,最终接近石墨片的杨氏模量,波松比随着碳纳米管直径的增加而减小,但变化幅度较小,一直同石墨片相近。


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