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纳米体系结构相变及物性的分子动力学模拟

叶翔  
【摘要】: 本文通过使用分子动力学方法研究了纳米材料多壁碳纳米管和硒化镉团簇在外压下的结构相变行为,以及基于碳纳米管基础上的储氢容器。主要研究内容可以概括为以下几部分: 第一,研究了外加压强下(10,10)@(15,15),(9,9)@(14,14),(8,8)@(13,13),(7,7)@(12,12)及(6,6)@(11,11)五种公度匹配的扶手椅型双壁碳纳米管的结构相交。我们发现在一定压强下,这些碳纳米管都会发生管口截面从圆形转变到椭圆型的结构相变,这个相变压强主要由内管的大小决定。同时我们的计算结果表明碳管键长在相变后会突然变长,我们采用了一个简单的弹性模型来解释这一物理现象。 第二,研究了多壁碳纳米管在外压下的径向压力传递。结果表明外管对内管起到一个保护作用,使内管感受到的压强远远小于外压。我们发现径向压力传递系数主要由碳纳米管的大小及管间的结构匹配决定。同时我们提出了一个测量多壁碳纳米管径向压力传递系数的实验方法。 第三,研究了碳纳米管的抗内压性能,并在此基础上设计了一种纳米储氢容器。计算结果表明在2.5GPa的压强下这种容器的储氢效率可以达到7.7%。 第四,我们使用等压分子动力学的方法研究了硒化镉团簇在外压下的结构相变。我们发现硒化镉团簇的结构相变与其自身的大小及形状密切相关。计算结果表明球形纳米团簇的相变压强是随团簇的增大而逐渐减小的。在所有研究的多面体团簇相变后都是形成无缺陷的石盐结构,而球形团簇相变后的结构都是多晶界的。 另外在论文的第一章里简要介绍了碳纳米管材料的发现历史及一般性质,硒化镉团簇的研究背景。在第二章中对本论文所使用的分子动力学力方法作了介绍,包括该方法的基本概念、原子势函数以及不同的等温及等压分子动力学方法。


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