金屬納米線填充納米管的變形行為及結(jié)構(gòu)演化.pdf

1、納米管復(fù)合材料是將異性物質(zhì)填充到納米管空腔中獲得的復(fù)合一維納米材料,由于其在納米力學(xué)和納米光電學(xué)上展現(xiàn)出的獨(dú)特的性質(zhì)和優(yōu)良的性能,近年來已經(jīng)引起人們的廣泛關(guān)注,呈現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。目前已成功填充的物質(zhì)有C60,金屬,水分子及各種化合物等。研究表明,填充后的納米管基復(fù)合材料在力學(xué)上通常表現(xiàn)出更強(qiáng)的軸向強(qiáng)度和楊氏模量。填充金屬顆粒的納米管復(fù)合材料對(duì)各式各樣的納米器件,電磁波的吸收,高密度電磁數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置和傳感器的應(yīng)用提供了可能性。而研究金

2、屬顆粒填充納米管前后復(fù)合材料的力學(xué)性能是該領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。
　　 本文通過分子動(dòng)力學(xué)模擬的方法研究了銅納米線填充硼氮管形成的復(fù)合材料的壓縮變形行為;鎳納米線填充碳納米管形成的復(fù)合材料在拉伸過程中的結(jié)構(gòu)演化和能量集中現(xiàn)象;金納米線填充硼氮管形成的復(fù)合材料與石墨稀之間的振動(dòng)行為。壓縮過程采用通用力場(chǎng)來描述原子間的相互作用;拉伸過程采用第二代經(jīng)驗(yàn)鍵序勢(shì)來描述碳-碳原子間的相互作用,緊束縛勢(shì)來描述金屬-金屬原子間的相互作用,范德瓦爾斯勢(shì)

3、來描述碳-金屬原子間的相互作用;振動(dòng)過程采用通用力場(chǎng)來描述原子間的相互作用。
　　 壓縮模擬計(jì)算主要研究了銅納米線填充硼氮管形成的復(fù)合材料的塌縮屈曲變形行為。模擬結(jié)果表明相同數(shù)量的銅原子填充到不同管徑的硼氮管中時(shí),其應(yīng)變能隨著管徑的增大而增大,但穩(wěn)定性隨著管徑的增大而降低,這主要是由銅原子在管內(nèi)的分布決定的。管徑為(7,7)的復(fù)合材料在屈服時(shí)表現(xiàn)出兩處屈服變形,而(11,11)管的復(fù)合材料只有一處變形且表現(xiàn)出較小的能量損失。同時(shí)

4、發(fā)現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)屈服時(shí)的形貌展現(xiàn)出不同的幾何形狀,與其填充原子的分布密度有關(guān)。研究還發(fā)現(xiàn)同一管徑的硼氮管,隨著其裝入銅原子數(shù)量的增多,其穩(wěn)定性增強(qiáng)。
　　 拉伸模擬計(jì)算主要研究了鎳納米線填充碳納米管形成的復(fù)合材料在拉伸過程中的變形機(jī)制。隨著拉伸的進(jìn)行,碳納米管沿軸向被拉長(zhǎng),鍵角鍵長(zhǎng)均沿軸向發(fā)生變化,管體逐漸變細(xì)。當(dāng)應(yīng)變達(dá)到一定程度之后,部分碳-碳鍵斷裂導(dǎo)致材料屈服。從雙體分布函數(shù)中可以看出隨著拉伸應(yīng)變的增大,第一近鄰開始松散,向第二

5、峰轉(zhuǎn)移,峰值出現(xiàn)劈裂,無序度增強(qiáng)。應(yīng)用了能量分布圖更直觀的展示出碳納米管在拉伸載荷下的變形能量演化和變形瞬間的能量集中現(xiàn)象,進(jìn)而分析了復(fù)合材料的拉伸變形機(jī)制。同時(shí)計(jì)算了鎳納米線分別填充扶手椅型碳納米管和鋸齒型碳納米管的楊氏模量。結(jié)果表明二者的楊氏模量均隨著管徑的增大而減小。
　　 振動(dòng)模擬主要研究了金原子分別填充碳納米管和硼氮納米管所形成的復(fù)合材料與石墨烯片在相互作用過程中的變形情況。研究發(fā)現(xiàn)石墨烯在與碳納米管復(fù)合材料作用時(shí)發(fā)生

6、自卷曲行為,最終將碳納米管復(fù)合材料層層裹住,形成共軸的螺旋結(jié)構(gòu);而硼氮管復(fù)合材料與石墨烯作用時(shí),雙方都發(fā)生劇烈抖動(dòng)變形,導(dǎo)致硼氮管內(nèi)部的金原子不斷振出管外。同時(shí)比較了不同長(zhǎng)度的硼氮管對(duì)這種振動(dòng)作用的影響情況以及將復(fù)合材料放在石墨烯片的不同位置對(duì)振動(dòng)作用的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)度較短的硼氮管,其內(nèi)部金原子溢出速度較快,將復(fù)合材料放在石墨烯中間時(shí),其內(nèi)部金原子溢出速度較快。研究了金原子在管內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡是遵循其納米線在管中的穩(wěn)定螺旋形狀,且在原子不

7、斷溢出的情況下,硼氮管對(duì)原子的束縛力增強(qiáng),原子出管還需借助原子與原子之間的碰撞力。研究還表明雙層石墨烯片和單層石墨烯片對(duì)硼氮管復(fù)合材料的作用基本相同。最后研究了填充水分子的硼氮管復(fù)合材料與石墨烯的作用情況,發(fā)現(xiàn)水分子在硼氮管的振動(dòng)作用下也被不斷振出管外。
　　 本文深入研究了納米管復(fù)合材料的力學(xué)變形機(jī)制和結(jié)構(gòu)演化,發(fā)現(xiàn)材料奇異的變形特點(diǎn),為制造微小部件和增強(qiáng)型納米復(fù)合材料具有重要的指導(dǎo)作用,同時(shí)發(fā)現(xiàn)了一種排空納米管的新方法,這種