枝節(jié)碳納米管壓縮屈曲性能多尺度模擬.pdf

1、枝節(jié)碳納米管因為結構的對稱性及良好的電學性能,引發(fā)了越來越多科學家和學者深入研究的興趣。由于受到尺寸和結構等的約束,對枝節(jié)碳納米管進行實驗研究非常困難,目前主要采用數值模擬的方法來對其力學性能進行研究。本文采用了基于 Tersoff-Brenner二代多體勢函數的原子有限元法(AFEM)和傳統(tǒng)連續(xù)介質有限元法(FEM)對單壁枝節(jié)碳納米管和單壁直碳納米管進行軸向壓縮動力屈曲性能模擬。探討了碳納米管的長度、半徑以及手性對碳納米管屈曲行為的影

2、響,研究結果主要分以下幾個方面:
　　(1)首先采用原子有限元法和連續(xù)介質有限元法模擬了單壁直碳納米管(SWCNTs)的軸向壓縮動力屈曲行為。模擬了長度為6nm,手性(3,3)~(10,10)(對應半徑0.2nm~0.7nm)的 SWCNTs動力屈曲行為。結果表明:單壁直碳納米管的臨界屈曲載荷隨著半徑的增大出現先增后減的趨勢,在手性(8,8)即半徑為0.5nm時達到最大值。同時模擬了手性(5,5),長度為2nm~10nm的SWCN

3、Ts動力屈曲行為。結果發(fā)現:單壁直碳納米管的臨界屈曲載荷隨著長度的增加呈遞減趨勢,當長度小于6nm時,碳管以局部屈曲失穩(wěn)為主,當長度超過6nm后,碳管更容易出現整體屈曲失穩(wěn),說明長度越長,結構所需屈曲的臨界應力也越小。本文模擬的結果與其他研究者采用分子動力學方法( MD)的結果非常吻合,說明采用AFEM和FEM來模擬碳納米管動力屈曲性能是可行的。
　　(2)其次采用原子有限元法和連續(xù)介質有限元法對“Y”型單壁枝節(jié)碳納米管(BSWC

4、NTs)進行了軸向壓縮動力屈曲模擬。模擬了枝節(jié)長度為2nm,手性(3,3)~(10,10)的 BSWCNTs動力屈曲行為。結果表明:枝節(jié)碳納米管臨界屈曲載荷隨著管徑的增大呈現先增后減趨勢,在手性(5,5)即半徑為0.34nm時達到峰值,當半徑大于0.4nm后,枝節(jié)連接處部分原子鍵長的破壞使得結構的屈曲載荷下降比較明顯。同時模擬了手性(5,5),枝節(jié)長度為1nm~4nm的 BSWCNTs動力屈曲行為。結果發(fā)現:單壁枝節(jié)碳納米管臨界屈曲載荷

5、隨著長度的增加逐漸減小,同樣存在長度越長,結構越不穩(wěn)定現象。此外,比較(5,5)(6,4)(8,0)三種不同手性的枝節(jié)碳納米管軸向屈曲,在相同半徑和長度下,扶手椅型比鋸齒型結構更趨于穩(wěn)定。
　　(3)最后對比了連續(xù)介質有限元法和原子有限元法的模擬結果。對于本文研究的枝節(jié)長度1nm~4nm的單壁枝節(jié)碳納米管,當半徑小于0.4nm,兩種尺度有限元方法所得結果吻合的比較好,說明連續(xù)介質有限元法在一定程度上可以用來預測枝節(jié)碳納米管的動力屈