单壁枝节碳纳米管拉伸力学性能多尺度模拟

摘要

枝节碳纳米管（BCNTs）的特殊多级结构在纳米器件中可以实现更多更复杂的功能。在发挥重要应用潜力之前，需要对枝节碳纳米管的力学性能进行系统研究，为将来的应用奠定理论及实验基础。基于此，本文采用原子级有限元法（AFEM）和分子动力学法（MD）对Y型单壁枝节碳纳米管（Y-BCNTs）和单壁直碳纳米管（CNTs）进行轴向拉伸力学性能模拟。探讨了管径和手性对碳纳米管拉伸力学行为的影响，研究内容和结果包含以下几个方面：
　　（1）首先构造了枝节和直碳纳米管的原子模型，并结合原子坐标数据编写了AFEM节点转换和单元拓扑程序，建立了枝节和直碳纳米管的原子有限元模型数据。
　　（2）经过AFEM轴向拉伸模拟单壁直碳纳米管（CNTs）得到的抗拉强度与MD得到的结果非常吻合。AFEM与MD模拟结果表明：当管径一致时，扶手型和螺旋型CNTs的抗拉强度要明显的大于锯齿型CNTs。当手性一致时，扶手型和锯齿型CNTs的抗拉强度随着直径的增大而增大；螺旋型CNTs的抗拉强度受管径和手性角双重影响随管径呈波动变化。
　　（3）基于AFEM和MD方法研究了Y型单壁枝节碳纳米管（Y-BCNTs）不同管径和手性下的轴向拉伸力学行为。结果表明：Y-BCNTs的抗拉强度与CNTs有所不同，当管径一致时，锯齿型Y-BCNTs的抗拉强度明显的大于扶手型和螺旋型Y-BCNTs。这是由于Y-BCNTs并非完美结构，扶手型和螺旋型Y-BCNTs的C-C共价键在枝节处与加载方向呈现多种角度导致碳键拉伸受力更大，枝节处结构加速破坏使其抗拉强度急剧下降。对Y-BCNTs模拟结果显示，扶手型和螺旋型Y-BCNTs拉伸过程中枝节处的碳环缺陷发生断裂，断裂原因为枝节部位的应力集中；锯齿型Y-BCNTs在枝节处更为稳定，由于边界效应致使断裂发生在加载端的碳管上。同时，不同管径的Y-BCNTs轴向拉伸模拟结果与CNTs不同，当手性一致时，Y-BCNTs的抗拉强度随着管径的增大出现先减后增的趋势，在管径为1.36 nm时达到最小值。观察拉伸模态发现，此管径的Y-BCNTs枝节处缺陷严重，导致拉伸初始状态碳碳键断裂。
　　（4）对比Y-BCNTs与CNTs轴向拉伸模拟结果表明：Y-BCNTs的抗拉强度小于相应的CNTs，枝节处缺陷是影响Y-BCNTs抗拉强度的主要因素。对螺旋型Y-BCNTs而言，手性角对抗拉强度仍有影响，但影响较小。对比AFEM和MD的模拟结果表明：两种方法对Y-BCNTs和CNTs模拟结果均吻合较好。

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第一章 绪论

1.1引言

1.2碳纳米管

1.3碳纳米管力学性能一般研究方法

1.4本文研究目的和内容

第二章 分子动力学与原子级有限元理论

2.1分子动力学

2.2原子级有限元

第三章 单壁直碳纳米管多尺度拉伸性能分析

3.1引言

3.2研究问题描述

3.3拉伸结果讨论

3.4本章小结

第四章 单壁枝节碳纳米管多尺度拉伸性能分析

4.1引言

4.2研究问题描述

4.3拉伸结果讨论

4.4 本章小节

第五章 结论及展望

5.1结论

5.2展望

参考文献

攻读硕士期间发表的论文

致谢

附录A（碳纳米管节点转换和单元拓扑的部分程序）

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