納米線及其復(fù)合結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為研究.pdf

1、納米線以及碳納米管基復(fù)合材料等多功能材料在最近幾年已經(jīng)引起人們廣泛的興趣，主要由于其在納米機(jī)械結(jié)構(gòu)和納米電子器件上潛在的應(yīng)用價值以及它們獨(dú)特的力學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)上。尤其在力學(xué)性質(zhì)上，納米線表現(xiàn)出相當(dāng)大的屈服應(yīng)力和楊氏模量，是將來作為納米器件以及功能元件的重要選擇。因此，深入研究納米線及其復(fù)合材料的力學(xué)性能和特點(diǎn)具有重要的意義。雖然隨著更先進(jìn)的探測儀器的出現(xiàn)，近幾年納米科學(xué)技術(shù)有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。比如，人們可以看到并且操縱原子。但

2、是有很多領(lǐng)域的研究還不夠完善，需要我們?nèi)ド钊氲靥骄?。本文采用計算機(jī)模擬方法，對納米線及其復(fù)合材料的拉伸及壓縮的力學(xué)性能作了研究，進(jìn)一步理解了這類納米線材料的變形機(jī)理，并希望通過這樣的手段尋找出性能更優(yōu)越的納米線材料。 本文主要采用了基于分子動力學(xué)的模擬退火，能量最小化以及基于第一性原理的密度泛函(DFD的方法對碳、Ni-Al合金、以及單質(zhì)銅進(jìn)行優(yōu)化并且得到穩(wěn)定的納米線結(jié)構(gòu)，這種束縛在納米管中的材料經(jīng)過優(yōu)化后呈現(xiàn)出奇異的螺旋形或者

3、多壁的結(jié)構(gòu)。通過對這類納米線材料進(jìn)行力學(xué)性質(zhì)的測量，得到諸如應(yīng)力-應(yīng)變曲線、應(yīng)變-應(yīng)變能曲線、以及最大承受載荷和楊氏模量等。模擬結(jié)果表明：超細(xì)碳納米線表現(xiàn)出很好的超塑性特點(diǎn)，其中最大應(yīng)變量可達(dá)到245％，使原來的螺旋形結(jié)構(gòu)完全拉伸成為單原子鏈。但這種超塑性現(xiàn)象并不存在于所有碳納米線中，隨著直徑的增大，碳納米線的超塑性便會消失。在拉伸碳納米線嵌入碳納米管復(fù)合材料的過程中，碳管首先發(fā)生斷裂，組成納米線的碳原子與碳納米管壁結(jié)合，最終形成納米橋

4、結(jié)構(gòu)。Ni-Al納米線在拉伸過程中，外層部分原子向內(nèi)部滑移，導(dǎo)致半徑減小并形成縮頸現(xiàn)象，并且縮頸處出現(xiàn)原子層的增加。－Ni-Al納米線的楊氏模量與組分和不同原子分布有關(guān)。在模擬銅納米線裝入碳納米管的壓縮過程中，發(fā)現(xiàn)銅原子的加入能夠有效提高碳納米管的穩(wěn)定性和最大承受載荷。但是這種提高是有條件的，依賴于該材料的縱橫比。當(dāng)縱橫比小于一定值時，銅，納米線的加入對碳納米管起到增強(qiáng)作用，當(dāng)超出這個值時，這種納米復(fù)合材料可以被看作為一維長桿，其穩(wěn)定性