碳納米管與不同物質(zhì)表面界面結(jié)合的分子動力學模擬研究.pdf

1、1991年，日本學者飯島首次利用電子顯微鏡觀察到中空的碳纖維，稱為“碳納米管”，自此，碳納米管由于其獨特的熱學、力學、電學、光學等性質(zhì)引起了國內(nèi)外大量研究者的研究熱潮及近十年來碳納米管科學與技術(shù)的飛速發(fā)展。近幾年來，許多實驗研究表明添加少量的碳納米管到金屬基體中可顯著增強金屬基復合材料的彈性模量和硬度。在碳納米管增強金屬基復合材料中，實驗研究碳納米管與物質(zhì)表面的微觀界面結(jié)合機理十分復雜困難，而復合材料的性質(zhì)很大程度上由碳納米管與物質(zhì)表面

2、的界面結(jié)合情況所決定，因而，利用分子力學、分子動力學進行計算模擬的方法被越來越廣泛的應(yīng)用到這一領(lǐng)域中來解決這一問題。本文旨在研究碳納米管與不同物質(zhì)表面的界面結(jié)合過程、機理及其形變問題，研究化學修飾對碳納米管在不同表面上形變的影響。
　　 首先，利用基于COMPASS力場的分子動力學模擬研究了碳納米管在Al表面上的動力學行為，研究了管半徑、長度的影響。動力學模擬研究發(fā)現(xiàn)當碳納米管的直徑大于某一臨界值時，碳納米管在Al表面上很容易塌

3、陷，由原來的圓柱形迅速轉(zhuǎn)變?yōu)殡p層石墨帶狀結(jié)構(gòu)覆蓋在Al表面上，碳納米管半徑的影響與之前的研究相似，而長度對其塌陷并不產(chǎn)生影響。動力學模擬發(fā)現(xiàn)碳納米管在不同形態(tài)的Ni表面上具有不同的塌陷形態(tài)，在Ni表面上的塌陷結(jié)構(gòu)與表面的粗糙度有關(guān)，但細微的粗糙度對碳納米管的塌陷可忽略。碳納米管在其它表面如Fe、Ni、石墨表面上也能完全塌陷，而對于Si表面，碳納米管并不能完全塌陷，僅有略微的變形，這可能與各種表面的金屬性有關(guān)，研究推斷表面的金屬性越強，碳

4、納米管越容易塌陷。不同直徑的碳納米管在Si表面上的塌陷與其他小組的研究相符合。對于Fe、FeO及Fe2O3表面，發(fā)現(xiàn)隨著表面氧化程度的加強，碳納米管的塌陷程度越小，表明碳納米管的塌陷主要由其與金屬原子之間的相互作用力所導致。
　　 我們進一步發(fā)現(xiàn)化學修飾可增強碳納米管其圓柱結(jié)構(gòu)在各種物質(zhì)表面上的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。分子動力學模擬研究了不同修飾量下的碳納米管在Al表面上動力學行為，一定量的化學修飾增強了碳管的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，可較好的防止碳納米

5、管的塌陷，研究也發(fā)現(xiàn)，在相同的修飾量下，碳納米管半徑越大、長度越長，防止碳納米管塌陷所需的化學修飾量越大，反之亦然。以氨基修飾的碳納米管為例，我們發(fā)現(xiàn)，在不同的物質(zhì)表面上，防止碳納米管塌陷所需的化學修飾量也不相同，隨著修飾量的增大，修飾了的碳納米管與各種物質(zhì)表面的結(jié)合能都減小。比較了氨基修飾、羧基修飾、羥基修飾及甲基修飾的碳管在Ni表面上防止碳納米管塌陷的能力，對于四種修飾基團，研究發(fā)現(xiàn)氨基、羧基防止碳管塌陷的能力相似且較好，其次為甲基