金属纳米线填充纳米管的变形行为及结构演化

摘要

纳米管复合材料是将异性物质填充到纳米管空腔中获得的复合一维纳米材料,由于其在纳米力学和纳米光电学上展现出的独特的性质和优良的性能,近年来已经引起人们的广泛关注,呈现出广阔的应用前景。目前已成功填充的物质有C60,金属,水分子及各种化合物等。研究表明,填充后的纳米管基复合材料在力学上通常表现出更强的轴向强度和杨氏模量。填充金属颗粒的纳米管复合材料对各式各样的纳米器件,电磁波的吸收,高密度电磁数据存储装置和传感器的应用提供了可能性。而研究金属颗粒填充纳米管前后复合材料的力学性能是该领域研究的热点。
　　 本文通过分子动力学模拟的方法研究了铜纳米线填充硼氮管形成的复合材料的压缩变形行为;镍纳米线填充碳纳米管形成的复合材料在拉伸过程中的结构演化和能量集中现象;金纳米线填充硼氮管形成的复合材料与石墨稀之间的振动行为。压缩过程采用通用力场来描述原子间的相互作用;拉伸过程采用第二代经验键序势来描述碳-碳原子间的相互作用,紧束缚势来描述金属-金属原子间的相互作用,范德瓦尔斯势来描述碳-金属原子间的相互作用;振动过程采用通用力场来描述原子间的相互作用。
　　 压缩模拟计算主要研究了铜纳米线填充硼氮管形成的复合材料的塌缩屈曲变形行为。模拟结果表明相同数量的铜原子填充到不同管径的硼氮管中时,其应变能随着管径的增大而增大,但稳定性随着管径的增大而降低,这主要是由铜原子在管内的分布决定的。管径为(7,7)的复合材料在屈服时表现出两处屈服变形,而(11,11)管的复合材料只有一处变形且表现出较小的能量损失。同时发现不同结构屈服时的形貌展现出不同的几何形状,与其填充原子的分布密度有关。研究还发现同一管径的硼氮管,随着其装入铜原子数量的增多,其稳定性增强。
　　 拉伸模拟计算主要研究了镍纳米线填充碳纳米管形成的复合材料在拉伸过程中的变形机制。随着拉伸的进行,碳纳米管沿轴向被拉长,键角键长均沿轴向发生变化,管体逐渐变细。当应变达到一定程度之后,部分碳-碳键断裂导致材料屈服。从双体分布函数中可以看出随着拉伸应变的增大,第一近邻开始松散,向第二峰转移,峰值出现劈裂,无序度增强。应用了能量分布图更直观的展示出碳纳米管在拉伸载荷下的变形能量演化和变形瞬间的能量集中现象,进而分析了复合材料的拉伸变形机制。同时计算了镍纳米线分别填充扶手椅型碳纳米管和锯齿型碳纳米管的杨氏模量。结果表明二者的杨氏模量均随着管径的增大而减小。
　　 振动模拟主要研究了金原子分别填充碳纳米管和硼氮纳米管所形成的复合材料与石墨烯片在相互作用过程中的变形情况。研究发现石墨烯在与碳纳米管复合材料作用时发生自卷曲行为,最终将碳纳米管复合材料层层裹住,形成共轴的螺旋结构;而硼氮管复合材料与石墨烯作用时,双方都发生剧烈抖动变形,导致硼氮管内部的金原子不断振出管外。同时比较了不同长度的硼氮管对这种振动作用的影响情况以及将复合材料放在石墨烯片的不同位置对振动作用的影响,结果发现长度较短的硼氮管,其内部金原子溢出速度较快,将复合材料放在石墨烯中间时,其内部金原子溢出速度较快。研究了金原子在管内的运动轨迹是遵循其纳米线在管中的稳定螺旋形状,且在原子不断溢出的情况下,硼氮管对原子的束缚力增强,原子出管还需借助原子与原子之间的碰撞力。研究还表明双层石墨烯片和单层石墨烯片对硼氮管复合材料的作用基本相同。最后研究了填充水分子的硼氮管复合材料与石墨烯的作用情况,发现水分子在硼氮管的振动作用下也被不断振出管外。
　　 本文深入研究了纳米管复合材料的力学变形机制和结构演化,发现材料奇异的变形特点,为制造微小部件和增强型纳米复合材料具有重要的指导作用,同时发现了一种排空纳米管的新方法,这种方法有助于寻找出具有特殊性能的微纳米器件,例如振荡器和纳米泵等。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 纳米技术的发展

1．2 纳米材料的特性

1．3 碳纳米管及其复合材料的研究及应用

1．3．1 碳纳米管的结构

1．3．2 碳纳米管的物理性质和制备方法

1．3．3 碳纳米管的应用

1．3．4 碳纳米管复合材料的研究进展

1．4 硼氮管及其复合材料的研究进展

1．4．1 硼氮管的结构和物理性质

1．4．2 硼氮管复合材料的研究进展

1．5 纳米线

1．6 纳米复合材料的分类及功能

1．7 石墨烯

第二章 计算机模拟方法

2．1 分子动力学

2．1．1 牛顿运动方程

2．1．2 边界条件

2．2 分子动力学方程的数值积分算法

2．2．1 Verlet算法

2．2．2 Gear预测-校正算法

2．3 势函数

2．3．1 碳-碳键之间的相互作用势

2．3．2 碳与金属间的相互作用势

2．3．3 金属与金属原子间的相互作用势

第三章 铜纳米线填充硼氮纳米管的轴向压缩

3．1 引言

3．2 模型与模拟方法

3．3 结果与讨论

3．4 本章小结

第四章 填充金属原子的单壁碳纳米管的拉伸变形机制

4．1 引言

4．2 模型的构建与模拟方法

4．3 结果与讨论

4．4 本章小结

第五章 石墨烯驱动纳米管复合材料的振动变形行为

5．1 引言

5．2 模型构建及模拟方法

5．3 模拟结果与讨论

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 工作总结

6．2 后期展望

参考文献

致谢

附录

学位论文评阅及答辩情况表