碳纳米管包裹作用金纳米线力学性能研究

摘要

随着微纳米技术的不断发展，碳纳米管中填充各种材料可以形成各种奇特的结构，引起了人们的极大兴趣。纳米材料在碳纳米管中结构、力学性能问题备受关注。有趣的是，碳纳米管也可作为制备纳米线的一种天然模具。碳管的包裹作用势必会引起纳米线微观结构和性能的变化。本文采用分子动力学方法，研究了碳纳米管包裹作用金纳米线拉伸和压缩作用下的力学特性。研究结果将为基于碳纳米管制备金纳米线的力学特性提供重要的理论认识。 第一，与自由状态的金纳米线作对比，对碳纳米管包裹作用金纳米线拉伸特性进行了研究。结果表明：自由状态的金纳米线为标准的面心立方结构，经过碳纳米管包裹作用金纳米线显示出了层状的结构。随着截面半径的增加，层状结构由少变多，即层状结构更加明显。经过碳管包裹作用金纳米线在最大应力与自由状态金纳米线相差不大，但它抵抗弹性变形能力大于自由状态的金纳米线。自由状态金纳米线拉伸变形微观机理：自由状态的金纳米线是面心立方结构，面心立方结构的密排面是{111}面。即原子在{111}面的<110>方向是最密集的和位错滑移一般发生在原子的最密集方向。原子沿着位错线进行滑移，直至金纳米线的断裂。碳纳米管包裹作用金纳米线拉伸变形微观机理：随着应变的不断增加，应力达到了一定的强度，使得表面原子具有较高的能量和速度。这造成表面原子向内部能量较低处的原子运动，最终导致位错缺陷和原子晶格颈缩的出现，直至金纳米线的断裂。 其次，与自由状态的金纳米线作对比，对碳纳米管包裹作用金纳米线压缩特性进行了研究。结果表明：在弹性变形阶段，碳管包裹作用金纳米线的弹性模量、最大应力大于自由状态金纳米线。在塑性变形阶段，碳管包裹作用金纳米线的最大应力大于自由状态金纳米线。这表明碳管包裹作用金纳米线在弹性变形阶段抵抗弹性变形能力、最大应力大于自由状态金纳米线。碳管包裹作用金纳米线在塑性变形阶段的最大应力大于自由状态金纳米线。自由状态金纳米线压缩变形微观机理：自由状态金纳米线是面心立方结构，面心立方结构的密排面是{111}面。即原子在{111}面的<11 0>方向是最密集的和位错滑移一般发生在原子的最密集方向。原子沿着左边位错线和右边位错线向中间逐渐滑移，直至金纳米线完全失 去承载能力。碳纳米管包裹作用金纳米线压缩变形微观机理：随着应变的不断增加，应力达到了一定的强度，使得表面原子具有较高的能量和速度。这造成表面原子向外部运动，最终导致位错缺陷和原子在右边逐渐聚积，直至金纳米线完全失去承载能力。

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