填充金纳米线的单壁碳纳米管力学性能的研究

摘要

碳纳米管可以看作是由石墨烯片卷曲而成的一维管状结构,具有小尺度、高硬度和优良的力学、电学等特性。近年来,通过利用碳纳米管填充异类物质获得改性的复合一维纳米材料引发了很多学者的兴趣,目前,已有包括富勒烯、金属(如Cu、Pb、Fe)及各种化合物在内的多种物质被成功填充在碳纳米管的空腔中。研究发现,与空管相比,填充碳纳米管常常表现出更强的轴向和径向强度以及不同于常规材料的光电学性质。对于碳纳米管填充前后力学性能的改变一直是大家关心的课题,目前对于碳管的力学性能表征主要还是沿用材料力学中拉伸、压缩、扭转和弯曲等测试方法,研究应力和应变关系,进而计算碳管弹性模量。
　　论文采用分子动力学方法模拟研究填充金纳米线的单壁碳纳米管在压缩、弯曲及扭转载荷下的力学性能,即屈曲及后屈曲行为。其中,采用Tersoff-Brenner多体势描述碳-碳原子间的相互作用,Lennard-Jones长程势描述碳-金原子间的相互作用,Finnis-Sinclair紧束缚多体势描述金-金原子间的相互作用。
　　在压缩模拟计算中,主要研究金原子填充(8,8)和(10,10)单壁碳纳米管中的情况。结果表明填充后的单壁碳纳米管的屈曲强度相对空管略有升高。通过分析体系势能随应变的变化关系,发现在达到屈曲应变之前整个碳管壁的势能均匀增加,当应变达到临界值时,应力瞬间集中在坍塌部位。另外分析填充金纳米线的结构,发现(8,8)管中金纳米线分布均匀,为7-1结构,而在(10,10)中金纳米线则有两类结构拼接而成(9-3和10-3)。因此在屈曲过程中,与(8,8)管应力主要集中在碳管中部不同,(10,10)管中的金纳米线由于存在9-3和10-3两种结构的衔接,使得应变能更容易集中在碳管壁上相应的接口处,因此在屈服过程中,使碳管壁产生更多的弯折。通过监测碳管腔内的金原子在压缩过程中的运动轨迹,本工作详细阐述了填充管与空管屈服过程的差异,发现填充管在屈服中具有一定的金属特质。
　　对(8,8)填充管的弯曲和扭转模拟研究,表明填充金纳米线使得碳管的弯曲和扭转的屈曲强度有了很大的提高,分别为空管的1.87倍和3.49倍。这与压缩情况显著不同,填充使抗弯曲和抗扭转能力获得很大提高。
　　本文的特色:应用势能分布图阐释了碳管在压缩、弯曲和扭转载荷下的屈曲过程中的能量演化,进而分析了碳管的屈曲和后屈曲机制。运用这种方法可以方便直观的理解碳管在屈曲瞬间的能量集中现象。