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。
【关键词】：单壁枝节碳纳米管 原子级有限元 分子动力学 拉伸力学性能
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TQ127.11;TB383.1