碳纳米管压缩屈曲行为的分子动力学模拟

摘要

日本NEC公司的Iijima在20世纪90年代早期发现了碳纳米管，其优异的力学、电学、光学和热学性质随即引发了全球性的研究热潮。碳纳米管具有金属半导体特性，并且拥有高机械强度、良好的吸附能力以及微波吸收能力等，优异的性能使其受到人们的广泛重视。随着人们对碳纳米管性能的研究，现在越来越多的碳纳米管被应用在微、纳机电系统器件上，例如传感器、谐振器、微陀螺等。这些微、纳器件的工作性能对碳纳米管的稳定性十分敏感。因此，碳纳米管的机械性能研究变得尤为重要。但无数碳纳米管的制备实验表明，由于温度、催化剂、提纯等各种因素的影响，完美的碳纳米管很难得到，碳纳米管的结构也无法确定。在微、纳器械中广泛应用的是碳纳米管的拉、压特性，早期的研究主要集中在碳纳米管拉伸性能的分析，缺乏对其压缩性能的讨论，特别是有缺陷的碳纳米管。因此，本文将采用分子动力学方法研究完美碳纳米管和含Stone-Wales（S-W）缺陷的碳纳米管在轴向压缩载荷作用下的力学性能。 在碳纳米管中，S-W缺陷的存在是多样以及不确定的。为了全面探讨S-W缺陷对碳纳米管屈曲性能的影响，本文考虑用数量、位置和分布方式三个因素来表示缺陷的复杂程度。压缩模拟结果表明，S-W缺陷结构造成的C-C键方向的改变以及C原子位置的移动使得这一结构趋于“扁平”结构，进而使轴向压缩载荷对碳纳米管屈曲形态变化的影响加剧。S-W缺陷会导致碳纳米管的屈曲极限应力显著下降、屈曲应变相应减小、弹性模量也有所降低，这些屈曲性能的受损程度与S-W缺陷的数量、位置以及分布方式密切相关。具体来说，碳纳米管的屈曲极限应力、屈曲应变以及弹性模量会随着S-W缺陷数量的增加而降低。S-W缺陷在碳纳米管的中部时对碳纳米管屈曲性能的影响最大，位于上部或下部时影响较小而且比较接近。同时，S-W缺陷分布在碳纳米管的轴向上对其屈曲性能的影响要比周向上小。 本文针对外界温度和拓扑结构对含S-W缺陷碳纳米管受轴压屈曲的影响进行了分子动力学模拟。外界温度会影响C-C键的承载能力，碳纳米管的直径会使周向六边形晶格结构发生变化，碳纳米管的手性角会改变C-C键与轴向压缩载荷方向的角度大小，这些都会影响含S-W缺陷碳纳米管的屈曲性能。结果表明，碳纳米管的屈曲极限应力和屈曲应变会随着温度的升高而明显降低，这种变化在低温区尤为显著，但其弹性模量受温度的影响很小，几乎可以忽略不计。随着碳纳米管直径的增加，S-W缺陷结构与完美六边形晶格结构的比例减小，含S-W缺陷碳纳米管的屈曲极限应变和弹性模量显著增加，但其屈曲应变却逐渐减小。此外，直径和S-W缺陷对碳纳米管屈曲性能的影响是相互的。 综上，S-W缺陷、外界温度、直径和手性角都会影响碳纳米管的屈曲性能，致使碳纳米管在微、纳器械中达不到理想的工作状态，或是降低其工作使用寿命。因此，本文的研究将为在微、纳器械中作为元件的碳纳米管发挥更好的力学性能提供理论依据和数据支持。

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