受限空間中金屬納米線的熔化.pdf

1、過去的幾十年間，以碳納米管、納米線為代表的一維納米材料備受關(guān)注。其中，納米線因其具有的獨特的物理化學(xué)性能，在光電子器件、化學(xué)催化、生物科技、國防科技、能源儲運、復(fù)合材料等領(lǐng)域具有受人矚目的應(yīng)用前景。在推廣納米線的實際應(yīng)用過程中，維持其結(jié)構(gòu)與物理化學(xué)性能的穩(wěn)定性是首先要解決的問題。近年來，研究者發(fā)現(xiàn)將納米線封裝于受限空間中，不僅能夠增加其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，防止其與外界的氧氣與水蒸氣反應(yīng)，還能夠獲得綜合性能優(yōu)異的碳納米管-納米線復(fù)合材料從而開拓新

2、的研究領(lǐng)域。受限空間與納米線原子的相互作用以及受限空間的結(jié)構(gòu)和尺寸對內(nèi)部納米線的結(jié)構(gòu)與性能具有非常顯著的影響。研究受限空間中納米線的熔化，對于豐富并完善納米尺度下材料性能的研究、拓展納米線及其復(fù)合材料的應(yīng)用、發(fā)展先進的納米材料制備與加工技術(shù)具有非常重要的科學(xué)意義和價值。
　　本論文選取了兩種典型的金屬納米線——Al納米線與Fe納米線，并采用分子動力學(xué)模擬方法對其在受限空間中的熱穩(wěn)定性和熔化過程進行了深入探討。
　　本論文首次

3、發(fā)現(xiàn)了碳納米管受限空間中Al納米線具有三種熔化行為，分別為:(Ⅰ)熔化過程中不出現(xiàn)內(nèi)層原子到外層的可視化擴散;(Ⅱ)熔化過程出現(xiàn)納米線的回復(fù)現(xiàn)象;(Ⅲ)熔化后內(nèi)層原子完全擴散到外層導(dǎo)致納米線最終具有中空結(jié)構(gòu)。這三種熔化行為由Al納米線的直徑和碳納米管的長度共同決定。碳納米管與納米線各層原子之間的相互作用強弱差異以及碳納米管中的范德華力勢阱是引起其內(nèi)部Al納米線出現(xiàn)以上三種異常熔化行為的主要原因。
　　沿不同晶向排布的Fe納米線（[

4、100]、[110]和[111]Fe納米線）的熱穩(wěn)定性明顯不同。[111]Fe納米線由于其具有的表面能最小以及表面的近鄰原子數(shù)最多具有最好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，該模擬結(jié)果從理論角度驗證了實驗中自發(fā)生長的Fe納米線多沿[111]晶向排布。當(dāng)把Fe納米線封裝于虛擬墻受限空間中時，外界軸向壓力的存在能夠強化受限空間對于納米線的束縛作用，從而使得納米線的熔點隨著軸向壓力的增加而增加。但是，該軸向壓力存在一個臨界值，結(jié)果表明為3 GPa，在該壓

5、力值以下，虛擬墻中的Fe納米線才能夠維持自身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。
　　本論文首次比較了兩種相同形狀、相同尺寸的受限空間，即虛擬墻和碳納米管，對于內(nèi)部Fe納米線熔化行為和熱穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明，F(xiàn)e納米線在碳納米管中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性最強，碳納米管對于其束縛作用更大。納米線在這兩種受限空間中的熔化行為也呈現(xiàn)出明顯不同。該結(jié)果形象地說明了碳納米管對于內(nèi)部納米線熔化行為的影響不僅僅局限于尺寸限制，其管壁的碳原子排布以及形成的碳納米管內(nèi)的范德華力勢阱是