單壁枝節(jié)碳納米管拉伸力學(xué)性能多尺度模擬.pdf

1、枝節(jié)碳納米管（BCNTs）的特殊多級結(jié)構(gòu)在納米器件中可以實現(xiàn)更多更復(fù)雜的功能。在發(fā)揮重要應(yīng)用潛力之前，需要對枝節(jié)碳納米管的力學(xué)性能進(jìn)行系統(tǒng)研究，為將來的應(yīng)用奠定理論及實驗基礎(chǔ)?；诖?，本文采用原子級有限元法（AFEM）和分子動力學(xué)法（MD）對Y型單壁枝節(jié)碳納米管（Y-BCNTs）和單壁直碳納米管（CNTs）進(jìn)行軸向拉伸力學(xué)性能模擬。探討了管徑和手性對碳納米管拉伸力學(xué)行為的影響，研究內(nèi)容和結(jié)果包含以下幾個方面：
　?。?）首先構(gòu)造了

2、枝節(jié)和直碳納米管的原子模型，并結(jié)合原子坐標(biāo)數(shù)據(jù)編寫了AFEM節(jié)點轉(zhuǎn)換和單元拓?fù)涑绦?，建立了枝?jié)和直碳納米管的原子有限元模型數(shù)據(jù)。
　?。?）經(jīng)過AFEM軸向拉伸模擬單壁直碳納米管（CNTs）得到的抗拉強(qiáng)度與MD得到的結(jié)果非常吻合。AFEM與MD模擬結(jié)果表明：當(dāng)管徑一致時，扶手型和螺旋型CNTs的抗拉強(qiáng)度要明顯的大于鋸齒型CNTs。當(dāng)手性一致時，扶手型和鋸齒型CNTs的抗拉強(qiáng)度隨著直徑的增大而增大；螺旋型CNTs的抗拉強(qiáng)度受管徑和手

3、性角雙重影響隨管徑呈波動變化。
　?。?）基于AFEM和MD方法研究了Y型單壁枝節(jié)碳納米管（Y-BCNTs）不同管徑和手性下的軸向拉伸力學(xué)行為。結(jié)果表明：Y-BCNTs的抗拉強(qiáng)度與CNTs有所不同，當(dāng)管徑一致時，鋸齒型Y-BCNTs的抗拉強(qiáng)度明顯的大于扶手型和螺旋型Y-BCNTs。這是由于Y-BCNTs并非完美結(jié)構(gòu)，扶手型和螺旋型Y-BCNTs的C-C共價鍵在枝節(jié)處與加載方向呈現(xiàn)多種角度導(dǎo)致碳鍵拉伸受力更大，枝節(jié)處結(jié)構(gòu)加速破壞使其

4、抗拉強(qiáng)度急劇下降。對Y-BCNTs模擬結(jié)果顯示，扶手型和螺旋型Y-BCNTs拉伸過程中枝節(jié)處的碳環(huán)缺陷發(fā)生斷裂，斷裂原因為枝節(jié)部位的應(yīng)力集中；鋸齒型Y-BCNTs在枝節(jié)處更為穩(wěn)定，由于邊界效應(yīng)致使斷裂發(fā)生在加載端的碳管上。同時，不同管徑的Y-BCNTs軸向拉伸模擬結(jié)果與CNTs不同，當(dāng)手性一致時，Y-BCNTs的抗拉強(qiáng)度隨著管徑的增大出現(xiàn)先減后增的趨勢，在管徑為1.36 nm時達(dá)到最小值。觀察拉伸模態(tài)發(fā)現(xiàn)，此管徑的Y-BCNTs枝節(jié)處缺