本文選題：Y型碳納米管 + 螺旋型碳納米管　； 參考：《大連理工大學(xué)》2015年博士論文

【摘要】：自從碳納米管問世以來,各界學(xué)者對碳納米管的研究如星火燎原般在全世界范圍內(nèi)展開。經(jīng)過近三十年的研究,實(shí)驗(yàn)學(xué)家們已能在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)各種尺寸的聚團(tuán)狀/垂直陣列/水平陣列的單壁/多壁碳納米管的宏量制備,并且應(yīng)用碳納米管卓越的導(dǎo)電、導(dǎo)熱、磁學(xué)、光學(xué)及力學(xué)等特性,制造了具有高導(dǎo)電性、高強(qiáng)度、高硬度、超疏水等性能的產(chǎn)品。全世界每年關(guān)于碳納米材料的專利呈指數(shù)級增長,碳納米材料已然顛覆了人們傳統(tǒng)的生活方式和思維方式。在充分了解直單壁碳納米管的基礎(chǔ)上,對異型碳納米管的研究也日漸興盛,異型碳納米管不僅有直碳納米管的優(yōu)異特性,還因其特殊的形狀形態(tài)使其能突出強(qiáng)化某一方面的特性,從而可用于特殊結(jié)構(gòu)和用途的元件設(shè)計(jì)。本論文主要針對Y型碳納米管、環(huán)型碳納米管及螺旋型碳納米管,采用分子動力學(xué)方法,基于第二代Brenner勢,系統(tǒng)地研究了它們的結(jié)構(gòu)、熱力學(xué)穩(wěn)定性及力學(xué)性質(zhì),并且從原子的角度探索了其在載荷作用下的失穩(wěn)破壞機(jī)理。異型碳納米管的產(chǎn)生主要是在六邊形的網(wǎng)格中引入五邊形、七邊形及八邊形等缺陷產(chǎn)生曲率的變化。例如：C3對稱的Y型碳納米管,每兩個支管間由兩個七邊形提供曲率的改變；環(huán)型/螺旋型碳納米管,其內(nèi)部由七邊形缺陷提供負(fù)曲率,外邊緣由五邊形缺陷提供正曲率。為了研究異型碳納米管本身的缺陷對其力學(xué)性質(zhì)的影響,首先對Y型碳納米管的三個分支同步施加軸向拉伸載荷,研究了其失效破壞機(jī)理。研究發(fā)現(xiàn)：夾角處的七邊形在拉伸載荷的作用下會產(chǎn)生以螺旋方向向外擴(kuò)散的剪切帶,從而在支管上剪切帶疊加的位置激發(fā)產(chǎn)生Stone-Wales轉(zhuǎn)化,使應(yīng)變能得到有效釋放。隨著加載的繼續(xù),缺陷迅速演化,由多個不穩(wěn)定的四、五、七小缺陷環(huán)匯聚成大缺陷環(huán),進(jìn)而裂帶,產(chǎn)生明顯的頸縮現(xiàn)象,最后斷裂成碳烯鏈結(jié)構(gòu)。和直碳納米管斷裂不同的是：Y型管的失穩(wěn)破壞機(jī)理可以由剪切帶理論預(yù)測,失穩(wěn)只發(fā)生在一個分支上。我們還研究了溫度對Y型碳納米管破壞機(jī)理的影響,得出結(jié)論：隨著溫度的升高,Y型碳納米管進(jìn)入塑性變形階段的臨界應(yīng)變變小。螺旋型碳納米管在軸向拉伸載荷作用下的力學(xué)性質(zhì)和失效破壞機(jī)理也被系統(tǒng)研究。根據(jù)七邊形缺陷相對于管軸的分布,四種互為同分異構(gòu)體的螺旋結(jié)構(gòu)被構(gòu)建。分子動力學(xué)的模擬結(jié)果表明：四種螺旋結(jié)構(gòu)在彈性部分的力學(xué)性質(zhì)相當(dāng),彈簧彈性系數(shù)相差不大,與缺陷分布基本無關(guān)；但是,彈性極限和在整個塑性階段的破壞方式卻與缺陷位置高度相關(guān)。螺旋型碳納米管內(nèi)部的七邊形缺陷參與缺陷核的形成,即七邊形中最靠近管軸線的一個C-C鍵首先發(fā)生Stone-Wales轉(zhuǎn)化,當(dāng)與周圍三個六邊形生成較穩(wěn)定的五、七缺陷的結(jié)構(gòu)時,該結(jié)構(gòu)的柔性更好,斷裂應(yīng)變最大,高達(dá)185%,相反,生成不穩(wěn)定的八邊形缺陷時,該結(jié)構(gòu)就相對易斷裂,斷裂應(yīng)變縮小一倍,只有90%�？梢�,本身存在的缺陷不一定都是降低力學(xué)性質(zhì)。環(huán)型碳納米管是封閉圓環(huán)結(jié)構(gòu),在電磁學(xué)方面具有突出的優(yōu)點(diǎn)。本文以一段碳納米管為生長核,構(gòu)建了一系列不同幾何尺寸的環(huán)型結(jié)構(gòu),用分子動力學(xué)方法研究了幾何參數(shù)對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。研究指出：由五個重復(fù)單元構(gòu)成,且表面光滑、結(jié)構(gòu)高度對稱的圓形結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定。受“裁剪布料縫制衣服”構(gòu)思的啟發(fā),本文最后一章是關(guān)于裁剪石墨烯片縫合成C3對稱的Y型碳納米管的研究。設(shè)計(jì)思路是：已知設(shè)計(jì)目標(biāo)的幾何尺寸(包括支管手性、支管直徑和中心結(jié)大小),反推石墨烯片上的設(shè)計(jì)圖紙,然后根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙去裁剪石墨烯片,從而達(dá)到制作特定尺寸Y型碳納米管的目的。并按該方法構(gòu)造了8種支管手性為椅型和之型的Y型碳納米管,研究了支管手性和直徑對拉伸荷載下的力學(xué)性能的影響,指出：在小變形階段,支管手性和管徑對楊氏模量的影響不大；椅型支管的Y型碳納米管的臨界應(yīng)變明顯高于支管手性為之型的；對于椅型Y型碳納米管,臨界應(yīng)變隨管徑的增大而減小,相反,對于之型Y型碳納米管,臨界應(yīng)變隨管徑的增大而增大。本論文對三種典型異型碳納米管的力學(xué)性質(zhì)研究和缺陷演化分析,揭示了異型碳納米管不同于直管的力學(xué)性質(zhì)和其在塑性階段的缺陷演化的機(jī)理,對其在納米器件中的應(yīng)用提供理論支持。
[Abstract]:This paper studies the structure , thermodynamic stability and mechanical properties of carbon nanotubes with high conductivity , high strength , high hardness and super - hydrophobic properties .
In order to study the effect of the defect on the mechanical properties of Y - type carbon nanotubes , the mechanism of failure damage is studied .
This paper studies the influence of geometric parameters on the mechanical properties of Y - type carbon nanotubes with different geometrical dimensions .
The critical strain of Y - type carbon nanotubes of the chair type branch pipe is obviously higher than that of the branch pipe .
For Y - type carbon nanotubes , the critical strain decreases with the increase of pipe diameter . In contrast , for Y - type carbon nanotubes , the critical strain increases with the increase of pipe diameter .

【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TQ127.11;TB383.1

【參考文獻(xiàn)】

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1 張崳;劉連慶;席寧;王越超;董再勵;;基于原子力顯微鏡的石墨烯可控裁剪方法研究[J];中國科學(xué):物理學(xué) 力學(xué) 天文學(xué);2012年04期

2 廖敬波;郭旭;趙紀(jì)軍;;含缺陷碳納米管的力學(xué)性質(zhì)研究[J];電子顯微學(xué)報;2006年04期

3 王宇,王秀喜,倪向貴,成琴;單壁碳納米管拉伸變形的原子尺度模擬[J];化學(xué)物理學(xué)報;2005年02期

4 楊衛(wèi),王宏濤,馬新玲,洪偉;納米力學(xué)進(jìn)展(續(xù))[J];力學(xué)進(jìn)展;2003年02期

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本文編號：1884342