碳納米管與銅，氧化亞銅及銅納米線(xiàn)表面之間界面結(jié)合的計(jì)算機(jī)模擬研究.pdf

1、碳納米管自從1991年由日本學(xué)者飯島發(fā)現(xiàn)之后，由于其優(yōu)異的電學(xué)、熱學(xué)和力學(xué)性能，受到越來(lái)越多的學(xué)者的關(guān)注。許多課題組用實(shí)驗(yàn)和理論的方法研究了碳納米管作為增強(qiáng)體對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)性能的改善作用。近幾年來(lái)的實(shí)驗(yàn)研究表明，只要在金屬基體中添加少量的碳納米管就可大大改善復(fù)合材料的彈性模量和硬度。碳納米管增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料中，界面結(jié)合問(wèn)題很大程度決定著復(fù)合材料的性質(zhì)，所以，研究碳納米管與金屬及其氧化物之間的界面結(jié)合，具有重要的實(shí)際

2、意義。但是，由于用實(shí)驗(yàn)的辦法來(lái)直接研究碳納米管與金屬的結(jié)合機(jī)理十分困難，分子力學(xué)和分子動(dòng)力學(xué)模擬的辦法才越來(lái)越廣泛的應(yīng)用到此領(lǐng)域的研究中來(lái)。本論文旨在用分子模擬的方法來(lái)研究碳納米管與銅及其氧化物，納米線(xiàn)的界面結(jié)合過(guò)程，機(jī)理以及隨之帶來(lái)碳納米管的形變問(wèn)題。 首先，用基于力場(chǎng)的分子動(dòng)力學(xué)方法研究了不同直徑，不同手性，不同壁數(shù)的碳納米管與銅和氧化亞銅表面的界面結(jié)合，分析界面性質(zhì)，界面結(jié)合機(jī)理，以及各種因素對(duì)界面結(jié)合的影響，分析了不同因

3、素對(duì)碳納米管和表面結(jié)合能，碳納米管形變能的影響。在界面結(jié)合過(guò)程中，表面的范德華力使碳納米管接近并結(jié)合在表面上，碳納米管塌陷并形成石墨帶狀結(jié)構(gòu)覆蓋在表面上，隨著碳納米管直徑的增大，塌陷變得比較容易，手性及其他因素對(duì)碳納米管的影響則比較小。由于界面接觸面積增大，塌陷增強(qiáng)了碳納米管與表面之間的結(jié)合作用，形成穩(wěn)定的異質(zhì)結(jié)構(gòu)。 通過(guò)動(dòng)力學(xué)模擬，發(fā)現(xiàn)這種界面結(jié)合的原因是表面范德華力作用，如果增加表面的比表面積，表面范德華力將會(huì)得到增強(qiáng)，界面

4、結(jié)合將會(huì)更緊密，碳納米管的變形也會(huì)更加嚴(yán)重。所以本文通過(guò)選取比表面積更大的材料，來(lái)考察其間的界面結(jié)合情況。銅納米線(xiàn)是一種理想的一維材料，其側(cè)面具有很大的比表面積。所以，本文通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬，進(jìn)一步研究碳納米管與銅納米線(xiàn)的相互作用，結(jié)果表明，當(dāng)納米管置于銅表面附近時(shí)，碳納米管靠近銅納米線(xiàn)并與之結(jié)合在一起，在結(jié)合過(guò)程中，碳納米管塌陷并形成碳納米卷包裹在銅納米線(xiàn)表面上，自組裝形成核殼納米線(xiàn)結(jié)構(gòu)。最后利用經(jīng)典Lennard-Jones勢(shì)，建立