碳納米管組裝納米新材料的物理特性研究.pdf

1、1991年Iijima等人在實驗上發(fā)現(xiàn)了一種稱之為碳納米管的新型納米材料。這一發(fā)現(xiàn)開啟了一個納米研究領(lǐng)域內(nèi)理論和實驗雙方面的研究熱潮。眾多的研究結(jié)果表明納米管具有極其良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性,并且作為一種低緯度材料其軸向上的硬度可堪與鉆石的硬度相比較。實驗和理論上測得的碳納米管軸向楊氏模量達(dá)到了驚人的Tpa量級。這些性質(zhì)昭示了碳納米管可作為新一代納米電學(xué)和力學(xué)器件材料而具有廣泛的應(yīng)用前景。其中,Cumirigs和zett1發(fā)明了由兩個單壁碳納米

2、管套合而成的雙壁碳納米管(DWCNTs)以制造高速低耗損納米活塞。這一發(fā)明引起了人們很大的興趣,大量的人力物力被投入到了該項研究中。針對活塞相對平移運動中的滑動摩擦和能量耗散的理論工作取得了諸多可喜的研究成果。同時,實驗上也開始了對雙壁碳納米管轉(zhuǎn)動運動的研究。而相較于眾多的關(guān)于雙壁碳納米管平移運動摩擦力的理論研究成果,在雙壁碳納米管轉(zhuǎn)動摩擦研究這一領(lǐng)域仍留有許多問題有待人們探索。最近幾年,金屬團簇粒子被成功的填充入碳納米管中,這使得在碳

3、管中填充生長穩(wěn)定的金屬納米線成為了可能。這種結(jié)合金屬納米線和碳納米管的新型組裝材料預(yù)示了在納米材料這一領(lǐng)域許多新的未知的可能性。填充金屬納米線在改變碳納米管材料性質(zhì)的同時自身的物理化學(xué)性質(zhì)也有可能發(fā)生變化。而這種材料性質(zhì)的變化可能由填充碳納米管來控制。填充金屬納米線在碳管中的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)以及熔點就是本論文工作的另兩個主要的研究內(nèi)容。本文首先介紹了基于Brenner多體經(jīng)驗勢和Lennard-Jones(LJ)對勢的分子動力學(xué)模擬雙壁碳納米管

4、的相對轉(zhuǎn)動運動及其過程中的摩擦研究。然后在引入Finnis-Sinclair半經(jīng)驗勢來描述碳納米管中的Au-Au原子相互作用后,我們研究了利用金團簇填充在碳管中生長金納米線的相關(guān)研究。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步對在碳管中的金納米線的熔化過程進(jìn)行了定量研究。具體研究內(nèi)容和結(jié)論如下:
　　1.我們用分子動力學(xué)模擬方法模擬了雙壁碳納米管的內(nèi)外管相對轉(zhuǎn)動的動力學(xué)過程,并測算了在其過程中的摩擦力大小。整個過程中的熱損耗是本工作的重點研究問題。計算模型

5、中的內(nèi)管直徑的變化范圍為6A到16A:外管直徑的變化范圍為12(A)到20(A)。最小轉(zhuǎn)動頻率為O.01rotations/ps,最大轉(zhuǎn)動頻率為0.25rotations/ps。模擬結(jié)果顯示轉(zhuǎn)動中的能量耗散也即系統(tǒng)升溫在固定轉(zhuǎn)速下與時間成正比。對于(15,0)@(23,0)Zigzag碳納米管組成的管組來說,當(dāng)轉(zhuǎn)動頻率為每ps0.05圈時測得的能量耗散率為每轉(zhuǎn)0.59meV/atom左右。這時的相應(yīng)的平均摩擦力大小為1.75×10-5n

6、N/atom。進(jìn)一步的研究關(guān)于組成納米轉(zhuǎn)軸的內(nèi)外管間距離以及內(nèi)外管間相互接觸面積對于轉(zhuǎn)動摩擦的影響,表明相同條件下當(dāng)內(nèi)外管間距接近0.34nm時轉(zhuǎn)動摩擦力最小,同時這也是LJ勢能的平衡距離。雙壁碳納米管轉(zhuǎn)軸具有高速低損耗的優(yōu)點,作為納米轉(zhuǎn)軸而言有著廣闊的應(yīng)用前景。
　　2.我們用Finnis-Sinclair半經(jīng)驗勢模擬研究了Au13,Au55和Au147二十面體團簇在不同直徑的單壁碳納米管中融合的動力學(xué)過程。研究主要包括由團簇而

7、成為納米線的三個主要過程,分別是:單個團簇由外而內(nèi)的進(jìn)入納米管的過程,在納米管中兩個團簇的融合過程,團簇融合之后到形成穩(wěn)定納米線結(jié)構(gòu)的過程。研究結(jié)果顯示只要碳納米管的半徑大于團簇半徑0.3nm以上,金團簇就能自由無障礙的進(jìn)入碳管。團簇在碳管中的方位角由C-Au相互作用決定并有利于團簇在碳管中的融合。融合之后的團簇原子會重新排列以形成圓柱對稱的層型結(jié)構(gòu)納米線。根據(jù)納米管半徑的不同,形成的納米線可能為7度對稱或6度對稱以及其他對稱度的結(jié)構(gòu)。

8、細(xì)管中的納米線呈螺旋狀層型納米線,當(dāng)管半徑比較大時管中納米線結(jié)構(gòu)會偏向于面心立方(fcc)結(jié)構(gòu)。本文討論了這些結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性并詳細(xì)分析了由多個團簇融合形成的納米線結(jié)構(gòu)。并由此找到了納米管半徑與其中納米線結(jié)構(gòu)間的幾何關(guān)系。利用這種關(guān)系可以成功預(yù)判納米管中所形成的納米線結(jié)構(gòu)。以上這些結(jié)果揭示了通過向一定半徑的碳納米管中注入金團簇實現(xiàn)可控生長金納米線的可能性。
　　3.本工作最后研究了在納米管中的金納米線熔化的物理過程,細(xì)致的分析了碳納米