基于分子動(dòng)力學(xué)方法研究缺陷碳納米管的屈曲性能.pdf

1、自從碳納米管被發(fā)現(xiàn)以來，由于其優(yōu)異的機(jī)械、電子、熱力學(xué)等特性，受到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界持續(xù)的廣泛關(guān)注。但是由于物理、化學(xué)方法制備得到的碳納米管大部分存在各種類型的缺陷，因此研究缺陷碳納米管的力學(xué)顯得尤為重要。本文采用經(jīng)典分子動(dòng)力學(xué)方法，研究了具有多種缺陷的碳納米管在單軸壓縮載荷下的屈曲行為。
　　系統(tǒng)地研究了完整形態(tài)和具有空位缺陷的單壁碳納米管在單軸壓縮下其力學(xué)性能的改變，驗(yàn)證了本文所采用的分子動(dòng)力學(xué)方法研究碳納米管材料的可行性。同時(shí)

2、也全面地研究碳納米管手性、尺寸，以及空位缺陷的數(shù)目和位置的影響。結(jié)果表明，單壁碳納米管的楊氏模量，極限應(yīng)力和應(yīng)變會(huì)隨著空位缺陷的數(shù)目增加而呈現(xiàn)顯著下降。同時(shí)也被發(fā)現(xiàn)極限應(yīng)力和應(yīng)變的變化受到空位缺陷引入位置的影響。相對(duì)于在兩端引入缺陷的情況，在碳納米管中間部位引入空位缺陷會(huì)降低碳納米管的極限應(yīng)力，使其更容易發(fā)生屈曲變形。
　　研究了完整形態(tài)和具有交聯(lián)缺陷的雙壁碳納米管在單軸壓縮載荷下其屈曲行為，尤其側(cè)重于Frenkel交聯(lián)缺陷。結(jié)果

3、表明，在雙壁碳納米管管間引入交聯(lián)缺陷會(huì)顯著的降低碳納米管的屈曲應(yīng)力，而楊氏模量的減少量很小。雖然交聯(lián)缺陷的引入會(huì)造成碳納米管力學(xué)性能的降低，但是它避免了在后屈曲階段應(yīng)力的急劇下降，使得其在受載荷情況下表現(xiàn)的更加穩(wěn)健。該研究結(jié)果給基于碳納米管的納米復(fù)合材料的應(yīng)用提供了有益的啟示。
　　為了更進(jìn)一步研究碳納米管內(nèi)外管間交聯(lián)缺陷的載荷傳導(dǎo)機(jī)制，進(jìn)行了一系列的單軸壓縮碳納米管外管的論證仿真。結(jié)果表明，施加在外管的壓應(yīng)力能夠通過層間較強(qiáng)的共

4、價(jià)鍵交聯(lián)缺陷，克服微弱范德華力作用，有效地傳導(dǎo)到內(nèi)管上。這種載荷傳導(dǎo)能夠使碳納米管內(nèi)管隨著外管的壓縮而發(fā)生屈曲形變。計(jì)算顯示，含有較高缺陷密度的雙壁碳納米管具有更好的荷載傳遞特性，但是持續(xù)增加交聯(lián)缺陷的數(shù)目，載荷傳導(dǎo)將達(dá)到一個(gè)上限。
　　本文所獲得的結(jié)果對(duì)于碳納米管在高性能納米復(fù)合材料中的應(yīng)用提供了重要的理論參考，對(duì)于設(shè)計(jì)和合成碳納米管增強(qiáng)復(fù)合材料和碳納米纖維具有指導(dǎo)作用。在將碳納米管推向?qū)嶋H應(yīng)用時(shí)，應(yīng)該盡可能的避免使用具有空位缺