碳納米管扭轉(zhuǎn)引起的力學(xué)耦合效應(yīng)研究.pdf

1、近年來(lái)，碳納米管由于其獨(dú)特的力學(xué)性能和電學(xué)性能受到越來(lái)越多的關(guān)注，其獨(dú)特的力學(xué)、電學(xué)性能使其可構(gòu)成獨(dú)特的納米電子力學(xué)系統(tǒng)(NEMS)。碳納米管被用作納米諧振器、扭轉(zhuǎn)參數(shù)振蕩器調(diào)諧軸向預(yù)應(yīng)力和靜電作用力的想法也被提出。在這些應(yīng)用中，碳納米管扭轉(zhuǎn)力學(xué)行為對(duì)納米電子力學(xué)系統(tǒng)極其重要。
　　本論文利用經(jīng)典分子動(dòng)力學(xué)的模擬方法，模擬分析了單壁碳納米管、雙壁碳納米管的扭轉(zhuǎn)力學(xué)行為。取得了一些有意義的結(jié)果，主要有:
　　(1)不同口徑碳管

2、所受力矩與扭轉(zhuǎn)角或切應(yīng)變的變化趨勢(shì)完全一致，碳管進(jìn)行扭轉(zhuǎn)的起始階段，即小切切應(yīng)變時(shí)，力矩T和扭轉(zhuǎn)角度θ或切應(yīng)變之間呈線性關(guān)系。碳管口徑越小，扭轉(zhuǎn)時(shí)所需扭矩單調(diào)降低，表明口徑小的碳管扭轉(zhuǎn)剛度較小，但其能保持彈性形變的切應(yīng)變極限越大。
　　(2)所有碳管均存在彈性失穩(wěn)點(diǎn)(buckling point)，當(dāng)扭轉(zhuǎn)角超過(guò)其buckling點(diǎn)后，曲線斜率變小，結(jié)構(gòu)發(fā)生相變，碳管的扭轉(zhuǎn)剛度降低。
　　(3)在碳管發(fā)生buckling形變之

3、后，鋸齒型碳管與扶手型碳管的力矩與扭轉(zhuǎn)角關(guān)系有顯著差異，表明碳管結(jié)構(gòu)對(duì)碳管發(fā)生buckling形變之后的力學(xué)行為有重要影響，這種發(fā)生在buckling形變之后的力學(xué)特性的顯著差異，可以作為檢測(cè)碳管類型的一種有效手段。
　　(4)碳管結(jié)構(gòu)決定扭轉(zhuǎn)時(shí)碳管軸向應(yīng)力的方向，扶手性碳管扭轉(zhuǎn)時(shí)軸向應(yīng)力向內(nèi)，碳管趨于縮短，而鋸齒型碳管軸向引力向外，碳管趨于伸長(zhǎng)。
　　(5)軸向應(yīng)力向外的碳管（如鋸齒型管）在大于一定長(zhǎng)度后，扭轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)通過(guò)彎曲

4、逐漸釋放應(yīng)力，碳管口徑越大，所需長(zhǎng)度越長(zhǎng)。這種大于一定管長(zhǎng)才會(huì)出現(xiàn)的扭致彎曲現(xiàn)象，對(duì)基于碳納米管的功能器件如扭轉(zhuǎn)擺的設(shè)計(jì)有重要意義。軸向應(yīng)力向內(nèi)的碳管（如扶手型管）在扭轉(zhuǎn)過(guò)程中則不可能彎曲。
　　(6)雙壁碳管是否出現(xiàn)扭致彎曲現(xiàn)象完全決定于外管的軸向應(yīng)力響應(yīng)特性，與內(nèi)管類型無(wú)關(guān)。如果外管軸向應(yīng)力方向向外，則可出現(xiàn)扭致彎曲現(xiàn)象。相對(duì)于單壁管，雙壁碳管在更短的尺度上就可以出現(xiàn)扭致彎曲，這種扭致彎曲加速效應(yīng)完全由內(nèi)管的軸向應(yīng)力驅(qū)動(dòng)，雖然