氦在單壁碳納米管中的聚集及其學性能的影響.pdf

1、在核技術和核工業(yè)領域中,氦的產(chǎn)生和聚集對于聚變、裂變堆壁金屬材料造成的損傷一直是困擾核材料使用安全的重大問題。氦的影響主要體現(xiàn)在由于氦的低溶解度其在材料體內(nèi)極易聚集成團形成氦泡,造成材料腫脹,使之脆化,從而破壞材料的力學性能,縮短材料的使用壽命。因此,很有必要尋找新一代抗氦脆材料。自從1991年碳納米管首次被發(fā)現(xiàn)以來,人們發(fā)現(xiàn)碳納米管具有管狀結(jié)構(gòu)、小尺度、高硬度和優(yōu)良的電學、力學等特性。此外,碳納米管被認為具有高的比表面積,被預言是一種

2、良好的吸附材料。目前人們已經(jīng)成功在碳納米管中填充了多種物質(zhì),如金屬鹵化物、水、稀有氣體和氫氣等。因此用碳納米管來儲氦引起了人們越來越多的興趣:它可以減少氦在金屬材料內(nèi)的聚集,其次憑借優(yōu)良的力學性能,有可能可以抵御由氦引起的材料的腫脹和脆化。本文采用分子動力學模擬,研究了氦在單壁碳納米管(SWNT)內(nèi)的吸附聚集行為,進而計算了氦對SWNT力學行為的影響。在本工作中采用Tersoff-Brenner多體勢以及Lennard-Jones長程勢

3、相結(jié)合來描述碳-碳原子間的相互作用,碳-氦原子以及氦-氦原子間的相互作用則采用Lennard-Jones作用來描述。
　　 本文首先模擬了氦原子在SWNT內(nèi)的填充密度對所形成的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的影響,發(fā)現(xiàn)對較低的填充密度氦原子在管內(nèi)優(yōu)先形成圓柱狀殼層,隨著填充密度的增加,氦原子才在管的軸向中心線上形成一維線狀的結(jié)構(gòu)。基于以上的工作,我們又通過對SWNT的軸向壓縮模擬研究了氦原子的填充密度對單壁碳管的力學性能的影響。發(fā)現(xiàn)填充氦原子并不改變

4、碳管的楊氏模量。但存在一個臨界填充密度,當填充密度小于臨界密度值時,碳管彎曲屈服力(Buckling-force)與空管一致,當填充密度大于此臨界值,Buckling-force隨填充密度的增加而增大。這主要是由于氦原子與碳原子之間的vanderWaals(vdW)相互作用引起的。進而,本工作還研究了溫度對填充碳納米管的軸向壓縮性能的影響。模擬結(jié)果表明,溫度升高導致空管的Buckling-force降低。然而對于填充管,溫度對Buckl