碳納米管及雙晶金屬界面力學(xué)行為的計算模擬.pdf

1、本論文詳細(xì)闡述了分子動力學(xué)方法的基本概念和主要技術(shù)，并采用分子動力學(xué)方法和恰當(dāng)?shù)脑娱g相互作用勢函數(shù)研究了若干納米尺度下的力學(xué)問題，包括層間范德華力在雙壁碳納米管變形過程中的作用、金屬填充單壁碳管的屈曲變形以及晶體缺陷對雙晶金屬界面力學(xué)行為的影響。
　　 自1991年被日本學(xué)者Ijima發(fā)現(xiàn)以來，由于其多方面的優(yōu)異性質(zhì)，碳納米管吸引了眾多的關(guān)注。人們使用實驗技術(shù)、理論模型及計算機(jī)模擬等方法對其各方面的性質(zhì)進(jìn)行了廣泛的研究。本文使

2、用分子動力學(xué)方法，研究了雙壁碳納米管中層間范德華相互作用對碳管的力學(xué)行為的影響。首先，考察了非常規(guī)間距扶手椅型和鋸齒型雙壁碳管在單軸壓縮載荷作用下的屈曲變形。計算結(jié)果表明，層間距變化帶來的層間范德華力變化對管的屈曲變形產(chǎn)生了重要影響。某些非常規(guī)間距管具有優(yōu)于常規(guī)間距管的壓縮穩(wěn)定性，且層間范德華力對不同手性雙壁碳管的力學(xué)行為的影響是不同的。
　　 對單、雙壁手性型碳納米管而言，軸向應(yīng)變會引起耦合的扭轉(zhuǎn)變形。在壓縮載荷作用下，手性型

3、單壁管存在兩個臨界應(yīng)變。在第一個臨界應(yīng)變處扭轉(zhuǎn)開始松弛，并在第二個臨界應(yīng)變處恢復(fù)到無扭轉(zhuǎn)狀態(tài)。層間范德華力的存在從本質(zhì)上改變了手性型雙壁管中外管的變形耦合機(jī)制，其外管的兩個臨界應(yīng)變由壓應(yīng)變一側(cè)遷移到了拉應(yīng)變一側(cè)。另外，雙壁管中內(nèi)管的變形體現(xiàn)出了對管徑的依賴性；而外壁管的變形則對半徑變化不敏感。
　　 在碳納米管內(nèi)部填充金屬能顯著地改變管的輸運(yùn)、電子及力學(xué)性質(zhì)，形成一些新穎的多功能納米設(shè)備。金屬填充碳納米管在多相催化、納米設(shè)備、電

4、磁波吸收、高密度磁介質(zhì)存儲以及磁力顯微鏡的傳感器等領(lǐng)域都有潛在的應(yīng)用前景。本文研究了由單質(zhì)金屬及二元合金完全或不完全填充的單壁碳納米管在軸向壓縮載荷作用下的力學(xué)行為，系統(tǒng)地考察了金屬填充比、管的幾何參數(shù)(管徑、管長和手性)以及合金組分和初始分布對金屬填充管變形的影響。由于管壁的限制作用，內(nèi)部金屬團(tuán)簇中的原子排列成同軸殼層的形式。對不完全填充管而言，團(tuán)簇邊界可以視為一種帶來弱化效應(yīng)的缺陷，另外金屬原子對管壁的作用降低了管壁碳原子的自由度，

5、增加了對管壁的約束從而提高了管的剛度。團(tuán)簇邊界效應(yīng)和約束效應(yīng)兩者間的競爭決定了填充管臨界屈曲應(yīng)變隨填充數(shù)目變化的整體趨勢。填充管的屈曲模式也與對應(yīng)的空碳管不同。通過對比不同金屬完全填充管的臨界應(yīng)變值可以發(fā)現(xiàn)，在軸向壓縮載荷作用下，鎳填充管的壓縮穩(wěn)定性要比銅填充管和鉑填充管好，而鉑填充管則具有更好的后屈曲穩(wěn)定性。
　　 由于內(nèi)部金屬的引入，填充管的變形機(jī)制要比空管復(fù)雜。填充管的臨界應(yīng)變對管長的依賴性大致可以分為四個線性階段，伴隨著

6、臨界長度處屈曲模式由局部到整體的轉(zhuǎn)變。內(nèi)部金屬原子排列方式的演化與管長變化兩種影響因素間的競爭決定了臨界應(yīng)變的整體變化趨勢。短管的屈曲模式為管壁上帶有小凹陷的局部屈曲，與宏觀尺度下薄殼的屈曲模式類似；長管的屈曲則是整體向一側(cè)彎曲，與歐拉桿的整體屈曲模式類似。對一組具有相同長度但是半徑不同的扶手椅型填充管的模擬結(jié)果表明，臨界應(yīng)變首先隨半徑增大線性減小；然后在4％左右漲落，幾乎不受半徑變化的影響。這與空管的結(jié)論不同，空管的臨界應(yīng)變是隨著半徑

7、增大而線性單調(diào)減小的。管徑增大帶來的弱化效應(yīng)和金屬原子施加在管壁上的約束帶來的強(qiáng)化效應(yīng)共同決定了臨界應(yīng)變隨半徑的變化規(guī)律。與具有同等長度和半徑的鋸齒型填充管相比，扶手椅型填充管的臨界應(yīng)變要低，但卻更容易通過內(nèi)部金屬的填充來達(dá)到強(qiáng)度提升的效果。
　　 對由二元合金完全填充的單壁碳管而言，初始平衡狀態(tài)下金屬原子的排列方式受到組分金屬百分比的影響。在Ni-Cu合金填充管中，當(dāng)Ni的數(shù)目分?jǐn)?shù)小于0.8時，觀察到了金屬原子的螺旋式排列，但

8、是，當(dāng)Ni原子的數(shù)目分?jǐn)?shù)較高時，在Ni-Cu和Ni-Pt系統(tǒng)中，金屬原子都以直線方式排列，并且在管中間有單原子金屬鏈出現(xiàn)。在特定的組分區(qū)間內(nèi)，合金填充碳管的臨界應(yīng)變可能高于由任一種單質(zhì)組份金屬填充的管。填充管的屈曲行為對金屬原子在初始平衡狀態(tài)下的隨機(jī)分布有較強(qiáng)的依賴性。合金種類、組分及金屬原子初始隨機(jī)分布等因素共同決定了合金填充管的臨界應(yīng)變值。由合金完全填充的碳管的屈曲模式主要為帶有分布式小凹陷的局部屈曲。
　　 對納米尺度下的

9、材料而言，由于位于界面附近的原子比例升高，導(dǎo)致界面對材料性質(zhì)的影響愈發(fā)明顯。在前面對金屬原子間相互作用勢函數(shù)理解的基礎(chǔ)上，本文研究了金屬界面的力學(xué)行為。使用分子動力學(xué)方法和嵌入原子勢函數(shù)，以銅/銅雙晶顆粒邊界及銅/鋁異質(zhì)結(jié)合界面為代表，研究了幾種晶體缺陷(點(diǎn)空位、線空位及裂紋)對同質(zhì)及異質(zhì)金屬界面力學(xué)行為的影響。
　　 對銅/銅雙晶顆粒邊界的研究表明，界面區(qū)域的粗糙本質(zhì)容易誘發(fā)應(yīng)力集中，導(dǎo)致顆粒邊界處是一個較弱的連接部位。晶體缺