枝節(jié)碳納米管壓縮屈曲性能多尺度模擬.pdf

1、枝節(jié)碳納米管因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的對(duì)稱性及良好的電學(xué)性能,引發(fā)了越來越多科學(xué)家和學(xué)者深入研究的興趣。由于受到尺寸和結(jié)構(gòu)等的約束,對(duì)枝節(jié)碳納米管進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究非常困難,目前主要采用數(shù)值模擬的方法來對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行研究。本文采用了基于 Tersoff-Brenner二代多體勢函數(shù)的原子有限元法(AFEM)和傳統(tǒng)連續(xù)介質(zhì)有限元法(FEM)對(duì)單壁枝節(jié)碳納米管和單壁直碳納米管進(jìn)行軸向壓縮動(dòng)力屈曲性能模擬。探討了碳納米管的長度、半徑以及手性對(duì)碳納米管屈曲行為的影

2、響,研究結(jié)果主要分以下幾個(gè)方面:
　　(1)首先采用原子有限元法和連續(xù)介質(zhì)有限元法模擬了單壁直碳納米管(SWCNTs)的軸向壓縮動(dòng)力屈曲行為。模擬了長度為6nm,手性(3,3)~(10,10)(對(duì)應(yīng)半徑0.2nm~0.7nm)的 SWCNTs動(dòng)力屈曲行為。結(jié)果表明:單壁直碳納米管的臨界屈曲載荷隨著半徑的增大出現(xiàn)先增后減的趨勢,在手性(8,8)即半徑為0.5nm時(shí)達(dá)到最大值。同時(shí)模擬了手性(5,5),長度為2nm~10nm的SWCN

3、Ts動(dòng)力屈曲行為。結(jié)果發(fā)現(xiàn):單壁直碳納米管的臨界屈曲載荷隨著長度的增加呈遞減趨勢,當(dāng)長度小于6nm時(shí),碳管以局部屈曲失穩(wěn)為主,當(dāng)長度超過6nm后,碳管更容易出現(xiàn)整體屈曲失穩(wěn),說明長度越長,結(jié)構(gòu)所需屈曲的臨界應(yīng)力也越小。本文模擬的結(jié)果與其他研究者采用分子動(dòng)力學(xué)方法( MD)的結(jié)果非常吻合,說明采用AFEM和FEM來模擬碳納米管動(dòng)力屈曲性能是可行的。
　　(2)其次采用原子有限元法和連續(xù)介質(zhì)有限元法對(duì)“Y”型單壁枝節(jié)碳納米管(BSWC

4、NTs)進(jìn)行了軸向壓縮動(dòng)力屈曲模擬。模擬了枝節(jié)長度為2nm,手性(3,3)~(10,10)的 BSWCNTs動(dòng)力屈曲行為。結(jié)果表明:枝節(jié)碳納米管臨界屈曲載荷隨著管徑的增大呈現(xiàn)先增后減趨勢,在手性(5,5)即半徑為0.34nm時(shí)達(dá)到峰值,當(dāng)半徑大于0.4nm后,枝節(jié)連接處部分原子鍵長的破壞使得結(jié)構(gòu)的屈曲載荷下降比較明顯。同時(shí)模擬了手性(5,5),枝節(jié)長度為1nm~4nm的 BSWCNTs動(dòng)力屈曲行為。結(jié)果發(fā)現(xiàn):單壁枝節(jié)碳納米管臨界屈曲載荷

5、隨著長度的增加逐漸減小,同樣存在長度越長,結(jié)構(gòu)越不穩(wěn)定現(xiàn)象。此外,比較(5,5)(6,4)(8,0)三種不同手性的枝節(jié)碳納米管軸向屈曲,在相同半徑和長度下,扶手椅型比鋸齒型結(jié)構(gòu)更趨于穩(wěn)定。
　　(3)最后對(duì)比了連續(xù)介質(zhì)有限元法和原子有限元法的模擬結(jié)果。對(duì)于本文研究的枝節(jié)長度1nm~4nm的單壁枝節(jié)碳納米管,當(dāng)半徑小于0.4nm,兩種尺度有限元方法所得結(jié)果吻合的比較好,說明連續(xù)介質(zhì)有限元法在一定程度上可以用來預(yù)測枝節(jié)碳納米管的動(dòng)力屈