填充金納米線的單壁碳納米管力學性能的研究.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構,具有小尺度、高硬度和優(yōu)良的力學、電學等特性。近年來,通過利用碳納米管填充異類物質獲得改性的復合一維納米材料引發(fā)了很多學者的興趣,目前,已有包括富勒烯、金屬(如Cu、Pb、Fe)及各種化合物在內的多種物質被成功填充在碳納米管的空腔中。研究發(fā)現,與空管相比,填充碳納米管常常表現出更強的軸向和徑向強度以及不同于常規(guī)材料的光電學性質。對于碳納米管填充前后力學性能的改變一直是大家關心的課題,目前

2、對于碳管的力學性能表征主要還是沿用材料力學中拉伸、壓縮、扭轉和彎曲等測試方法,研究應力和應變關系,進而計算碳管彈性模量。
　　論文采用分子動力學方法模擬研究填充金納米線的單壁碳納米管在壓縮、彎曲及扭轉載荷下的力學性能,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變的變化關系,發(fā)現在達到屈曲應變之前整個碳管壁的勢能均勻增加,當應變達到臨界值時,應力瞬間集中在坍塌部位。另外分析填充金納米線的結構,發(fā)現(8,8)管中金納米線分布均勻,為7-1結構,而在(10,10)中金納米線則有兩類結構拼接而成(9-3和10-3)。因此在

4、屈曲過程中,與(8,8)管應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10-3兩種結構的銜接,使得應變能更容易集中在碳管壁上相應的接口處,因此在屈服過程中,使碳管壁產生更多的彎折。通過監(jiān)測碳管腔內的金原子在壓縮過程中的運動軌跡,本工作詳細闡述了填充管與空管屈服過程的差異,發(fā)現填充管在屈服中具有一定的金屬特質。
　　對(8,8)填充管的彎曲和扭轉模擬研究,表明填充金納米線使得碳管的彎曲和扭轉的屈曲強度有了