碳纳米管力学行为的分子动力学模拟
自1991年碳纳米管被发现以来，其独特的分子结构赋予了这种新型纳米材料优异的力学、化学和物理性质，这些优异的性能使得碳纳米管潜在的应用空间十分广阔因而受到了全世界科学家的广泛关注。纳米空间尺度下的实验研究难以实现，因此目前大部分针对碳纳米管的研究都是以理论为主。分子动力学方法(MD)能够精确的描述纳米尺度下材料变形和演化的各种物理现象，提取纳米材料的物理和力学参数。本文以单壁碳纳米管为研究对象，借助分子动力学模拟软件LAMMPS并结合一些相关的动力学理论进行分析，研究结果主要包括以下方面： （1）.本文结合Eyring理论和Bailey准则推导了碳纳米管（CNT）断裂应变及断裂强度的理论公式，经过公式计算得到的理论值与分子动力学模拟得到的结果吻合较好。理论值与 MD值显示断裂强度及断裂应变随着碳纳米管的加载拉伸应变速率的增加有少许增长的趋势，但影响不大。同时随着温度增加，碳纳米管的断裂应变，断裂应力都将迅速的减小。 （2）.基于量子断裂力学（QFM）理论得到缺陷原子个数与碳纳米管强度的关系，并用分子动力学模拟得到含缺陷碳纳米管的断裂强度。含缺陷碳纳米管的断裂强度的实验值与理论值都随着缺陷的增加而减少，MD模拟结果与QFM理论结果吻合较好。同时本文发现QFM理论的预测碳纳米管强度具有相当大的局限性，仅对碳纳米管裂纹尖端方向为径向的能做出比较精确的预测。 （3）.运用分子动力学模拟潮湿环境下的碳纳米管的匀速拉伸，结果表明：处于潮湿环境下的碳纳米管的各个力学特征（杨氏模量，断裂强度，断裂应变）比真空状态下的碳纳米管略小。潮湿环境下的碳纳米管在C-C键被破坏过程中，水分子中H原子受到吸引，与C原子形成了C-H键，从而加快碳纳米管的断裂。 （4）.基于Tersoff势，采用分子动力学方法研究了碳纳米管束不同温度下的拉伸力学特征，对不同温度下的碳纳米管束的力学特性进行了比较分析。结果表明：碳纳米管束的拉伸强度、断裂应变与杨氏模量都随着温度的增加而减小。碳纳米管束的碳原子在高温下的急剧的热震动导致不同碳管之间的碳原子互相成键，从而破坏了碳纳米管束的结构，导致碳纳米管的力学特征急剧下降。对碳纳米管束卸载模拟结果显示，碳纳米管束卸载后恢复至原长时，该碳纳米管的断口处的碳原子重新结键，致使断裂的碳管的势能增加，因此再次拉伸时的应力比卸载时的应力高，但是拉伸强度相对第一次拉伸的拉伸强度稍有减小。 （5）.运用分子动力学模拟了碳纳米管处于外加电场下的稳定性。结果表明：在电场力表现为拉伸作用时的碳纳米管断裂失稳临界电场强度随着直径的增加而增大，当直径超过2nm时，随着碳纳米管直径的增加，临界电场强度收敛于-14V/nm。在电场力表现为压缩作用时的碳纳米管屈曲失稳临界电场强度随着直径的增加而减小，碳纳米管直径超过1.6nm时它们的临界电场的将收敛于4V/nm。且小直径碳纳米管的能量变化方式与大直径碳纳米管的变化方式有很大不同。
碳纳米管;力学行为;分子动力学模拟;LAMMPS软件
南昌航空大学
硕士
材料物理与化学
江五贵
2012
中文
TB383
70
2013-10-08（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）