转动碳纳米马达在氩气中的动力学性能研究

摘要

随着纳米科技的发展，基于碳纳米管的纳米材料和纳米器件研究备受关注。多壁碳纳米管管间具有超润滑性，管壁具有超高模量和强度。因此，其成为制造纳米马达、纳米轴承、纳米振荡器等纳米器件的理想材料。目前，受实验技术和设备的限制，纳米级（100nm以内）碳纳米管动力学器件的研发手段以分子动力学模拟为主。本论文采用分子动力学模拟方法，研究了碳纳米管马达和碳纳米环马达在氩气环境中的动力学行为，取得如下成果： （1）对比了碳纳米管马达在真空和氩气环境中的动力学行为。由外管为定子，内管为转子的双壁碳纳米管构成碳纳米管马达，碳纳米管马达的基本原理是转子上原子在热振动过程中受到定子的碰撞，产生定向环向驱动力，从而加速转动，但在定子的摩擦力作用下，达到峰值转速后保持稳定转动。通过研究环境温度、氩气密度、模拟盒子尺寸以及转子尺寸对碳纳米管马达稳定转动频率（Stable rotational frequency:SRF）的影响，发现：转子的稳定转动频率随氩气密度的增大呈指数下降；在100K下，转子仍可以在液氩中转动；在常温（如300K）下，当氩气密度小于200kg/m3时，SRF值受氩气密度影响较小；在动态平衡阶段，部分氩原子被转子内外表面吸附，与转子同步转动。碳纳米管马达在具有相同氩气密度不同尺寸的模拟盒子中，大尺寸盒子中会有更多的氩原子被吸附到转子表面，导致转子的稳定转动频率值偏低。而在相同尺寸的模拟盒子中，较低的氩气密度下，转子长度大于5nm时SRF值略受转子长度影响。 （2）利用单个碳纳米管构建了轮胎形纳米环，用四个短纳米管作为定子约束纳米环，采用相同的策略驱动纳米环在四个短外管中转动。对比纳米环马达在真空和氩气中的动力学特性，并考虑氩气密度、温度以及定子的长度等因素对纳米环马达SRF值的影响。结果表明，纳米环马达不能在100K下转动，但可在300K下转动，且温度越高SRF值越高。氩气在纳米环马达附近周期性地形成氩簇，然后逐步被纳米环拆散，期间SRF值呈周期性变化。此外，还可以通过改变环境温度来阻止纳米环马达转动。其机制是：在较低温度下形成的氩簇附着在定子和纳米环衔接处，氩簇对纳米环的摩擦力随温度降低而增加。因此，低温下碳纳米环会由于摩擦而停止转动。这种现象可以用来设计氩气开关控制纳米环的转速。 上述研究结果可为此类转动碳纳米马达的实验设计和制造提供思路。尤其氩气可作为控制转子转速的介质。

目录

声明

第一章 研究背景

1.1 碳纳米结构

1.2 石墨烯

1.3 碳纳米管

1.3.1 碳纳米管结构

1.3.2 碳纳米管性能及应用

1.4 碳纳米管相关研究现状

1.4.1 碳纳米管摩擦相关特性研究

1.4.2 碳纳米管转动相关特性研究

1.4.3 碳纳米管其他相关特性研究

1.5 氩气

1.5.1 氩气简介

1.5.2 氩气性能及应用

1.6 本论文的主要研究内容

第二章 分子动力学方法

2.1 引言

2.2分子动力学的基本原理

2.3 分子动力学的时间积分算法

2.3.1 Verlet算法

2.3.2 Verlet蛙跳算法

2.3.3 预测-校正算法

2.3.4 Beeman算法

2.4 原子间势函数

2.4.1 Lennard-Jones势函数

2.4.2 AIREBO势函数

2.5.1 能量最小化

2.5.2 截断半径及邻域列表

2.5.3 边界条件

2.5.4 时间步长

2.5.5 系综及控温方法

2.6.1技术路线

2.6.2基本步骤

2.7常用软件

2.7.1Materials Studio

2.7.2 UltraEdit

2.7.3 Ovito

2.7.4 Origin

第三章 热驱动转动纳米管马达在氩气环境中的动力学行为

3.1 引言

3.2.1 模型构建及模拟设置

3.2.2 分子动力学模拟流程

3.3 转动纳米管马达运动机理

3.4 氩原子对转子转动的影响

3.5 结果与讨论

3.5.1 氩气密度对纳米管马达稳定转动频率的影响

3.5.2 模拟盒子尺寸对纳米管马达稳定转动频率的影响

3.5.3 转子长度对纳米管马达稳定转动频率的影响

3.6 本章小结

第四章 热驱动转动纳米环马达在氩气环境中的动力学行为

4.1 引言

4.2.1 模型构建及模拟设置

4.2.2 分子动力学模拟流程

4.3 结果与讨论

4.3.1 纳米环马达在真空中转动

4.3.2 氩气密度对4S模型中纳米环马达转动的影响

4.3.3 温度对4S模型中纳米环马达转动的影响

4.3.4 氩气密度对4L模型中纳米环马达转动的影响

4.4 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

致谢

作者简历