熱驅(qū)動(dòng)碳納米馬達(dá)的轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)量數(shù)值模擬.pdf

1、多壁碳納米管的管間具有超低摩擦特性，同時(shí)管壁具有超高模量和強(qiáng)度。因此，納米管成為制造納米器件的理想備選材料。2014年，基于雙壁碳納米管的熱驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)納米馬達(dá)被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，由于馬達(dá)轉(zhuǎn)子具有尺寸小、轉(zhuǎn)速高的特點(diǎn)，造成轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)觀測(cè)極為困難。本論文使用分子動(dòng)力學(xué)方法，通過(guò)在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸管上添加可變翼的方法，并結(jié)合碳管探針，考察轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)觀測(cè)與調(diào)控的可行性研究。研究取得如下成果:
　　(1)在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸上鍵結(jié)一段部分氫化的石墨烯納米帶，構(gòu)建“碳納米

2、管+石墨烯”轉(zhuǎn)子。當(dāng)復(fù)合轉(zhuǎn)子被激發(fā)轉(zhuǎn)動(dòng)后，石墨烯翼被帶動(dòng)準(zhǔn)同步轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到臨界值時(shí)，石墨烯翼在離心力作用下克服轉(zhuǎn)軸碳納米管的范德華引力，并迅速展開。與此同時(shí)，復(fù)合轉(zhuǎn)子的平均轉(zhuǎn)速因轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的迅速增加而陡降。觀測(cè)對(duì)象尺寸變大、轉(zhuǎn)速變小都可降低轉(zhuǎn)動(dòng)觀測(cè)的難度。
　　(2)在上述可變石墨烯翼的自由端鍵結(jié)一個(gè)新的碳納米管，稱為尾管，并在距離烯片完全展開后能經(jīng)過(guò)的路徑上布置一個(gè)碳納米管探針。同樣地，在復(fù)合轉(zhuǎn)子被激發(fā)轉(zhuǎn)動(dòng)后，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到臨界值

3、時(shí)，尾管隨石墨烯翼脫離軸管的引力。此刻轉(zhuǎn)速會(huì)有所下降，當(dāng)轉(zhuǎn)速重新回到臨界值后，尾管經(jīng)過(guò)探針時(shí)，會(huì)發(fā)生碰撞。通過(guò)觀察探針是否出現(xiàn)大幅振動(dòng)判斷納米馬達(dá)是否轉(zhuǎn)動(dòng)。
　　(3)利用上述納米馬達(dá)+探針的模型，討論了探針位置、最大撓度與熱驅(qū)動(dòng)納米馬達(dá)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，建立了轉(zhuǎn)速可控的納米馬達(dá)模型。模型中石墨烯翼通過(guò)兩面交替氫化方式制作成納米彈簧。數(shù)值結(jié)果表明，復(fù)合轉(zhuǎn)子被激發(fā)轉(zhuǎn)動(dòng)中，石墨烯翼的長(zhǎng)度會(huì)隨轉(zhuǎn)速的增加而增加。探針的最大撓度隨尾管的速