碳納米管力學(xué)行為的分子動(dòng)力學(xué)模擬.pdf

1、自1991年碳納米管被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，其獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu)賦予了這種新型納米材料優(yōu)異的力學(xué)、化學(xué)和物理性質(zhì)，這些優(yōu)異的性能使得碳納米管潛在的應(yīng)用空間十分廣闊因而受到了全世界科學(xué)家的廣泛關(guān)注。納米空間尺度下的實(shí)驗(yàn)研究難以實(shí)現(xiàn)，因此目前大部分針對(duì)碳納米管的研究都是以理論為主。分子動(dòng)力學(xué)方法(MD)能夠精確的描述納米尺度下材料變形和演化的各種物理現(xiàn)象，提取納米材料的物理和力學(xué)參數(shù)。本文以單壁碳納米管為研究對(duì)象，借助分子動(dòng)力學(xué)模擬軟件LAMMPS并結(jié)合一

2、些相關(guān)的動(dòng)力學(xué)理論進(jìn)行分析，研究結(jié)果主要包括以下方面：
　?。?）.本文結(jié)合Eyring理論和Bailey準(zhǔn)則推導(dǎo)了碳納米管（CNT）斷裂應(yīng)變及斷裂強(qiáng)度的理論公式，經(jīng)過(guò)公式計(jì)算得到的理論值與分子動(dòng)力學(xué)模擬得到的結(jié)果吻合較好。理論值與 MD值顯示斷裂強(qiáng)度及斷裂應(yīng)變隨著碳納米管的加載拉伸應(yīng)變速率的增加有少許增長(zhǎng)的趨勢(shì)，但影響不大。同時(shí)隨著溫度增加，碳納米管的斷裂應(yīng)變，斷裂應(yīng)力都將迅速的減小。
　　（2）.基于量子斷裂力學(xué)（QFM

3、）理論得到缺陷原子個(gè)數(shù)與碳納米管強(qiáng)度的關(guān)系，并用分子動(dòng)力學(xué)模擬得到含缺陷碳納米管的斷裂強(qiáng)度。含缺陷碳納米管的斷裂強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)值與理論值都隨著缺陷的增加而減少，MD模擬結(jié)果與QFM理論結(jié)果吻合較好。同時(shí)本文發(fā)現(xiàn)QFM理論的預(yù)測(cè)碳納米管強(qiáng)度具有相當(dāng)大的局限性，僅對(duì)碳納米管裂紋尖端方向?yàn)閺较虻哪茏龀霰容^精確的預(yù)測(cè)。
　　（3）.運(yùn)用分子動(dòng)力學(xué)模擬潮濕環(huán)境下的碳納米管的勻速拉伸，結(jié)果表明：處于潮濕環(huán)境下的碳納米管的各個(gè)力學(xué)特征（楊氏模量，斷

4、裂強(qiáng)度，斷裂應(yīng)變）比真空狀態(tài)下的碳納米管略小。潮濕環(huán)境下的碳納米管在C-C鍵被破壞過(guò)程中，水分子中H原子受到吸引，與C原子形成了C-H鍵，從而加快碳納米管的斷裂。
　?。?）.基于Tersoff勢(shì)，采用分子動(dòng)力學(xué)方法研究了碳納米管束不同溫度下的拉伸力學(xué)特征，對(duì)不同溫度下的碳納米管束的力學(xué)特性進(jìn)行了比較分析。結(jié)果表明：碳納米管束的拉伸強(qiáng)度、斷裂應(yīng)變與楊氏模量都隨著溫度的增加而減小。碳納米管束的碳原子在高溫下的急劇的熱震動(dòng)導(dǎo)致不同碳管

5、之間的碳原子互相成鍵，從而破壞了碳納米管束的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致碳納米管的力學(xué)特征急劇下降。對(duì)碳納米管束卸載模擬結(jié)果顯示，碳納米管束卸載后恢復(fù)至原長(zhǎng)時(shí)，該碳納米管的斷口處的碳原子重新結(jié)鍵，致使斷裂的碳管的勢(shì)能增加，因此再次拉伸時(shí)的應(yīng)力比卸載時(shí)的應(yīng)力高，但是拉伸強(qiáng)度相對(duì)第一次拉伸的拉伸強(qiáng)度稍有減小。
　?。?）.運(yùn)用分子動(dòng)力學(xué)模擬了碳納米管處于外加電場(chǎng)下的穩(wěn)定性。結(jié)果表明：在電場(chǎng)力表現(xiàn)為拉伸作用時(shí)的碳納米管斷裂失穩(wěn)臨界電場(chǎng)強(qiáng)度隨著直徑的增加而