填充金納米線的單壁碳納米管力學(xué)性能的研究.pdf

1、碳納米管可以看作是由石墨烯片卷曲而成的一維管狀結(jié)構(gòu),具有小尺度、高硬度和優(yōu)良的力學(xué)、電學(xué)等特性。近年來,通過利用碳納米管填充異類物質(zhì)獲得改性的復(fù)合一維納米材料引發(fā)了很多學(xué)者的興趣,目前,已有包括富勒烯、金屬(如Cu、Pb、Fe)及各種化合物在內(nèi)的多種物質(zhì)被成功填充在碳納米管的空腔中。研究發(fā)現(xiàn),與空管相比,填充碳納米管常常表現(xiàn)出更強的軸向和徑向強度以及不同于常規(guī)材料的光電學(xué)性質(zhì)。對于碳納米管填充前后力學(xué)性能的改變一直是大家關(guān)心的課題,目前

2、對于碳管的力學(xué)性能表征主要還是沿用材料力學(xué)中拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)和彎曲等測試方法,研究應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系,進(jìn)而計算碳管彈性模量。
　　論文采用分子動力學(xué)方法模擬研究填充金納米線的單壁碳納米管在壓縮、彎曲及扭轉(zhuǎn)載荷下的力學(xué)性能,即屈曲及后屈曲行為。其中,采用Tersoff-Brenner多體勢描述碳-碳原子間的相互作用,Lennard-Jones長程勢描述碳-金原子間的相互作用,Finnis-Sinclair緊束縛多體勢描述金-金原子間的相

3、互作用。
　　在壓縮模擬計算中,主要研究金原子填充(8,8)和(10,10)單壁碳納米管中的情況。結(jié)果表明填充后的單壁碳納米管的屈曲強度相對空管略有升高。通過分析體系勢能隨應(yīng)變的變化關(guān)系,發(fā)現(xiàn)在達(dá)到屈曲應(yīng)變之前整個碳管壁的勢能均勻增加,當(dāng)應(yīng)變達(dá)到臨界值時,應(yīng)力瞬間集中在坍塌部位。另外分析填充金納米線的結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)(8,8)管中金納米線分布均勻,為7-1結(jié)構(gòu),而在(10,10)中金納米線則有兩類結(jié)構(gòu)拼接而成(9-3和10-3)。因此在

4、屈曲過程中,與(8,8)管應(yīng)力主要集中在碳管中部不同,(10,10)管中的金納米線由于存在9-3和10-3兩種結(jié)構(gòu)的銜接,使得應(yīng)變能更容易集中在碳管壁上相應(yīng)的接口處,因此在屈服過程中,使碳管壁產(chǎn)生更多的彎折。通過監(jiān)測碳管腔內(nèi)的金原子在壓縮過程中的運動軌跡,本工作詳細(xì)闡述了填充管與空管屈服過程的差異,發(fā)現(xiàn)填充管在屈服中具有一定的金屬特質(zhì)。
　　對(8,8)填充管的彎曲和扭轉(zhuǎn)模擬研究,表明填充金納米線使得碳管的彎曲和扭轉(zhuǎn)的屈曲強度有了