碳納米管和石墨烯是近年來納米材料領(lǐng)域的熱點研究對象,碳納米管是一維材料,石墨烯是二維材料,由于它們優(yōu)異的力學,電學和化學性能,在材料學、微納米器件等方向都得到了廣泛的應用。由于兩種材料的制造工藝的限制,目前生產(chǎn)的碳納米管和石墨烯往往都含有不同數(shù)量和種類的缺陷,這些缺陷對于碳納米管和石墨烯及其組合器件的性質(zhì)有重要的影響,對于這一部分內(nèi)容的研究也有助于指導其相關(guān)的應用,但是目前對于碳納米管和石墨烯缺陷對于其力學性質(zhì)的影響規(guī)律的研究還不完善。因此本文的研究基于分子動力學研究的方法,對于不同種類和數(shù)量的缺陷對于碳納米管和石墨烯及其組合納米器件的運動影響進行了研究,得到其影響規(guī)律,并且在此基礎上,利用其缺陷的影響,設計了新的石墨烯和碳納米管組合純轉(zhuǎn)動系統(tǒng)。首先,采用雙壁碳納米管平動系統(tǒng)作為研究對象,在其中加入了不同數(shù)量和位置分布的空位缺陷和STW缺陷,在其余條件都相同的情況下,研究缺陷對于系統(tǒng)運動的影響。研究發(fā)現(xiàn):缺陷數(shù)量與缺陷對于系統(tǒng)運動的影響大小整體上成正比,即隨著缺陷數(shù)量的增加,缺陷對于系統(tǒng)運動的影響越大;其中缺陷的不同位置分布對于運動也有不同的影響。其次,在分析了缺陷對于納米系統(tǒng)的運動影... 

【文章來源】：華南理工大學廣東省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：72 頁

【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

碳納米管手性示意圖：(a)扶手椅型；(b)鋸齒型；(c)手性型

華南理工大學碩士學位論文4圖1-2Barreiro等人設計的基于碳納米管的納米驅(qū)動器[6]Figure1-2Carbonnanotube-basednanodriverdesignedbyBarreiroetal.另外由于碳納米管具有可在納米機電系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用的優(yōu)異的機械性能。研究者在設計制造性能優(yōu)良的納米機械的過程中通常會利用碳納米管的較高的彈性模量、力學形變性能以及層間相對較低的范德華效應等特點[14]，如以納米材料為基礎的發(fā)電機[15]和光電器件[16]。碳納米管是納米機電系統(tǒng)的核心組件，是在納米機電系統(tǒng)中提供能量和實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化的部件。多壁碳納米管之所以成為構(gòu)建納米機電系統(tǒng)的最佳材料之一，原因是其具有獨特的多層嵌套結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)使得其能實現(xiàn)層間靈活的自由轉(zhuǎn)動和滑動。過去的很多研究認為，相對容易在納米尺度下提供的能量是電能，因此不少研究者提出了基于電能驅(qū)動的碳納米管器件。但是電能驅(qū)動有控制難度大和能量利用率低等許多缺點，這也導致了器件在實際應用時的缺陷。所以最近的研究中，越來越多的科學家將注意力放再發(fā)現(xiàn)和設計新的納米驅(qū)動方式，比較熱門的方式有彈性梯度驅(qū)動、濕度梯度驅(qū)動和溫度梯度驅(qū)動等。蔡坤課題組的研究以多壁碳納米管為主要組件設計了納米變速器和轉(zhuǎn)動振蕩器等器件，對于它們的動力學行為和性能采用分子動力學模擬方法進行了研究，同時討論了環(huán)境溫度和碳管長度對其性能的影響[17-19]。碳納米管自從問世起即受到整個材料科學界的關(guān)注，特別是基于碳納米管的納米器件的研究近些年來都屬于材料學界研究的熱點，這是由于碳納米管具有的優(yōu)異性能，尤其是優(yōu)秀的彈性力學性能以及穩(wěn)定性，這些性能促使科學家們對于利用碳納米管構(gòu)建納米器件的更多可能性進行更加廣泛的探索研究。此外，由于多壁碳納米的層間摩擦力相對較小，并且具有靈活

華南理工大學碩士學位論文6論認為類似石墨烯這樣的二維晶體無法穩(wěn)定并且獨立地存在，這一實驗結(jié)果也為反駁這個觀點提供了證據(jù)，證明了在環(huán)境中二維晶體石墨烯可以獨立穩(wěn)定地存在，這一結(jié)果也為包括石墨烯在內(nèi)的為二維納米材料提供了更多理論研究和實際應用上的可能性，由此以后，石墨烯在短時間內(nèi)得到了該研究領(lǐng)域內(nèi)很多科學家熱衷研究的對象。如圖1-3所示，通過裁剪或堆疊、卷曲石墨烯等方法可以獲得其他基于碳的同素異形體，如碳納米管、石墨和富勒烯等[30]。之前的理論計算得出石墨烯的楊氏模量大約為1TPa,強度則超過130GPa。石墨烯根據(jù)手性不同可分為扶手椅型、鋸齒型和螺旋型石墨烯。石墨烯具有一系列優(yōu)異的重要性質(zhì)，在物理性質(zhì)方面，石墨烯具有優(yōu)異的光學特性，導熱導電性能好，并且具有零帶隙半導體性等特點。具體如導熱性能方面，石墨烯的導熱率高于金剛石和碳納米管，根據(jù)雷曼光譜實驗的得到的結(jié)果，其導熱率為4.84(±0.44)×103~5.30(±0.48)×103W/m/K[31,32]。這樣優(yōu)異的導熱率在很多實際應用的材料中都可以得到應用，作為傳遞熱量或者是控制熱量的部分。因此，石墨烯從問世以來快速發(fā)展，成為了構(gòu)建納米熱驅(qū)動器件的重要構(gòu)件。利用石墨烯熱導率的相關(guān)研究和發(fā)明成為近年來納米科學領(lǐng)域的研究熱點之一。圖1-3碳納米管可通過石墨烯卷曲而成Figure1-3Carbonnanotubescanberolledfromgraphene其中熱泳運動是研究的一個熱點方向，該運動的原理是物體在溫度梯度場作用下產(chǎn)生的定向運動。Walther課題組在2006年利用分子動力學模擬對于熱泳運動進行了研究，他們將金納米顆粒放置在納米管中，并且對碳納米管施加溫度梯度場，研究結(jié)果表明，在軸向溫度梯度場的作用下，金納米顆�？梢园l(fā)生從高溫區(qū)向低溫區(qū)移動的定向運動，該研究還發(fā)?

【參考文獻】：
博士論文
[1]碳納米管的等效彈性參量和屈曲行為分子動力學模擬研究[D]. 張晨利.上海交通大學 2007

碩士論文
[1]石墨烯薄膜的等效彈性參數(shù)和力學行為研究[D]. 沈樂.上海交通大學 2010



本文編號：3074220