手性碳納米管扭轉(zhuǎn)過程中力學(xué)性質(zhì)的研究.pdf

1、碳納米管自發(fā)現(xiàn)以來就被譽(yù)為未來的材料，根據(jù)其獨(dú)特的力學(xué)特性，可以制作很多有廣泛應(yīng)用前景的納米器件，譬如在搭建扭轉(zhuǎn)式振蕩器時(shí)，納米管可以作為彈簧元件;在搭建納米發(fā)電機(jī)時(shí)，納米管可以作為旋轉(zhuǎn)軸承等。在這些應(yīng)用中，納米管的扭轉(zhuǎn)性能對(duì)納米器件系統(tǒng)極為重要。
　　本文采用分子動(dòng)力學(xué)模擬的方法探討了手性碳管扭轉(zhuǎn)的力學(xué)行為，并分析了長(zhǎng)度、半徑、轉(zhuǎn)速、缺陷等對(duì)手性碳管扭轉(zhuǎn)過程中力學(xué)性質(zhì)的影響。取得了一些有意義的結(jié)果:
　　(1)從整體上看，

2、碳管正（反）向扭轉(zhuǎn)都經(jīng)歷了四個(gè)階段，前面三個(gè)階段，扭矩隨切應(yīng)變的增加而增加，但是扭矩曲線的斜率逐級(jí)減小，第四階段，碳管扭轉(zhuǎn)破裂，扭矩陡降，積累的能量迅速釋放。
　　(2)隨著扭轉(zhuǎn)角的增加，碳原子離管軸平均距離單調(diào)減小，碳管中的碳原子整體上做靠近軸向的運(yùn)動(dòng)，管內(nèi)空間持續(xù)下降。
　　(3)手性碳管在扭轉(zhuǎn)過程中，中間部分的碳原子應(yīng)力增加的最快，而左右兩部分的碳原子所受到的應(yīng)力則較慢，碳管中部原子的局部環(huán)境率先出現(xiàn)明顯改變，先于其他

3、部位受到較大的應(yīng)力，隨后逐漸將應(yīng)力向兩邊傳遞，從而使整個(gè)碳管上的碳原子所受的應(yīng)力得以增大，導(dǎo)致形變結(jié)構(gòu)以“扭結(jié)”的方式向兩邊展開。
　　(4)正向扭轉(zhuǎn)的軸向力隨扭轉(zhuǎn)角單調(diào)上升，使碳管趨于伸長(zhǎng)，當(dāng)扭轉(zhuǎn)越過屈服點(diǎn)后，軸向收縮力開始持續(xù)下降到零，并最終完成方向的反轉(zhuǎn)而使碳管轉(zhuǎn)為軸向收縮;而反向扭轉(zhuǎn)的軸向力從開始就體現(xiàn)出收縮特性，軸向收縮力大小隨扭轉(zhuǎn)進(jìn)程單調(diào)增大。當(dāng)碳管正（反）向扭轉(zhuǎn)越過屈服點(diǎn)后之后，軸向收縮力以更大的增速隨扭轉(zhuǎn)角增大，體

4、現(xiàn)為在碳管扭轉(zhuǎn)彈性屈服點(diǎn)后有更大的軸向彈性模量，且軸向彈性模量隨著管長(zhǎng)的增加而減小。
　　(5)手性角在約15°之前，正向扭轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)的屈服角隨手性角的增加而減小，反向扭轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)的屈服角隨手性角增加而增大;當(dāng)手性角超過15°時(shí)，正向扭轉(zhuǎn)的屈服角轉(zhuǎn)而增大，而反向扭轉(zhuǎn)的屈服角卻開始減小;即手性碳管扭轉(zhuǎn)時(shí)，手性角在15°左右的碳管反向扭轉(zhuǎn)的彈性扭轉(zhuǎn)范圍最大，能承受的應(yīng)變最大，正向扭轉(zhuǎn)的彈性扭轉(zhuǎn)范圍最小，能承受的應(yīng)變也最小。
　　(6)當(dāng)