高溫及外場(chǎng)作用下碳納米管大變形物理力學(xué)問(wèn)題研究.pdf

1、碳納米管由于其特殊的一維幾何結(jié)構(gòu),優(yōu)異的物理、化學(xué)、力學(xué)性質(zhì),被廣泛認(rèn)為將是構(gòu)建下一代高性能納米機(jī)電器件基元的理想材料。對(duì)其大變形物理力學(xué)行為的研究一直是該領(lǐng)域的前沿重點(diǎn)之一,新的現(xiàn)象仍然不斷被發(fā)現(xiàn),對(duì)設(shè)計(jì)基于碳納米管的納米機(jī)電器件具有重要的指導(dǎo)意義。本文利用基于Tersoff-Brenner勢(shì)的分子動(dòng)力學(xué)和密度泛函(DFT)第一原理(First Principles)方法,對(duì)碳納米管在高溫、強(qiáng)電場(chǎng)、及彎曲載荷下的大變形物理力學(xué)問(wèn)題進(jìn)行

2、了系統(tǒng)研究,取得以下主要進(jìn)展:
　　 1.利用分子動(dòng)力學(xué)對(duì)實(shí)驗(yàn)觀察到的單壁碳納米管高溫超塑性變形現(xiàn)象進(jìn)行了系統(tǒng)研究,發(fā)現(xiàn)前人提出的單個(gè)缺陷滑移產(chǎn)生超塑性變形的模型過(guò)于理想話,物理上有限的缺陷形核和擴(kuò)展不符合高溫統(tǒng)計(jì)學(xué)原理,并且單個(gè)或少量缺陷往往會(huì)導(dǎo)致碳納米管的局域化失效。我們的結(jié)果表明碳納米管在高溫拉伸至彈性極限附近時(shí),大量均勻分布的拓?fù)淙毕莸男魏藢?duì)碳納米管的超塑性變形至關(guān)重要,它導(dǎo)致碳納米管在隨后的拉伸過(guò)程中沒有顯著的局域弱化

3、,缺陷之間的相互作用和隨機(jī)擴(kuò)展使得碳納米管在高溫下超塑性伸長(zhǎng)直至最后斷裂。而低溫拉伸由于缺乏足夠的能量使得大量缺陷產(chǎn)生,碳納米管主要表現(xiàn)為脆性斷裂。超塑性變形能力與碳納米管管徑緊密相關(guān),管徑越小越容易發(fā)生缺陷的局域化,因此不容易產(chǎn)生超塑性變形,而大管徑碳納米管則容易發(fā)生超塑性變形。我們的結(jié)果更新了學(xué)術(shù)界對(duì)這一新現(xiàn)象的認(rèn)識(shí),首次揭示出廣布缺陷及其演化是碳納米管高溫超塑性變形的原因,與實(shí)驗(yàn)觀測(cè)一致。
　　 大溫度范圍模擬表明,碳納米

4、管可以在很大的溫度范圍內(nèi)(大于500K)內(nèi)被塑性拉伸,但塑性變形能力隨溫度降低而減弱,彈性極限則隨溫度的降低而升高,基于這個(gè)發(fā)現(xiàn)和實(shí)驗(yàn)操作中的焦耳加熱特點(diǎn),我們提出了逐步降溫調(diào)節(jié)提高碳納米管塑性拉伸的機(jī)制,并得到分子動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果的證實(shí),與實(shí)驗(yàn)觀察吻合。
　　 2.研究了多壁碳納米管的高溫物理力學(xué)性質(zhì),發(fā)現(xiàn)在高溫加熱過(guò)程中多壁碳納米管會(huì)形成層問(wèn)sp3鍵,成鍵的能力隨溫度的升高而增強(qiáng)。由于小管徑碳納米管具有很高的本征應(yīng)變能,穩(wěn)定性

5、相對(duì)較低,所以在加熱過(guò)程中內(nèi)管之間率先形成sp3鍵,作為曲率極小的極端情況,雙層石墨在加熱過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生層間sp3鍵,但穩(wěn)定性較低,容易受擾動(dòng)而消失。拉伸模擬表明,由于這些層問(wèn)鍵不導(dǎo)致碳納米管的顯著結(jié)構(gòu)破壞,因此它們不會(huì)導(dǎo)致多壁碳納米管拉伸強(qiáng)度的顯著降低。與此同時(shí),由于層問(wèn)鍵的引入有效提高了多壁碳納米管的層問(wèn)載荷傳遞能力,因此我們提出利用高溫?zé)崽幚韥?lái)構(gòu)造基于碳納米管的超強(qiáng)納米纖維復(fù)合材料的新方案。
　　 第一原理的計(jì)算表明,無(wú)論

6、是金屬性還是半導(dǎo)體性多壁碳納米管,由于層間sp3鍵的引入,其電子結(jié)構(gòu)由原來(lái)石墨式的電子能帶結(jié)構(gòu)向金剛石式的電子能帶轉(zhuǎn)變,在費(fèi)米能級(jí)處產(chǎn)生能隙,使所有碳納米管均轉(zhuǎn)變?yōu)榘雽?dǎo)體。由此我們提出高溫?zé)崽幚砗铣扇雽?dǎo)體碳納米管的新思路,有望促進(jìn)碳納米管在未來(lái)半導(dǎo)體工業(yè)中的應(yīng)用。
　　 3.利用密度泛涵理論,研究了有限長(zhǎng)單壁碳納米管在強(qiáng)電場(chǎng)下力電耦合性質(zhì),我們的結(jié)果發(fā)現(xiàn)由于碳納米管在強(qiáng)電場(chǎng)下的巨電致變形效應(yīng),碳納米管的電子結(jié)構(gòu)會(huì)被顯著調(diào)節(jié),不

7、同手性的碳納米管的能級(jí)間隙隨電場(chǎng)的改變展現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)。電子軌道密度的分布變化表明,armchair碳納米管的電荷分布變化比zigzag碳納米管敏感,而帶帽子的碳納米管受電場(chǎng)和電致變形調(diào)節(jié)最弱,因而其場(chǎng)發(fā)射效應(yīng)不如開口碳納米管,與實(shí)驗(yàn)結(jié)論一致。我們的結(jié)果還發(fā)現(xiàn)碳納米管的電偶極矩在不考慮電致變形的情況下與電場(chǎng)強(qiáng)度成正比,而電致變形效應(yīng)使電偶極矩進(jìn)一步增加,隨電場(chǎng)強(qiáng)度呈非線性變化關(guān)系。
　　 4.將分子動(dòng)力學(xué)模擬與原子力顯微鏡觀

8、測(cè)相結(jié)合,發(fā)現(xiàn)碳納米管彎曲的雙尺度效應(yīng)和兩種不同的屈曲模式,對(duì)應(yīng)屈曲結(jié)處的高度隨彎曲角呈現(xiàn)“突變”和“漸變”兩種變化關(guān)系。我們的模擬結(jié)果表明,突變主要對(duì)應(yīng)于單壁碳納米管在彎曲載荷下的突然失穩(wěn)和應(yīng)變能釋放;而漸變主要對(duì)應(yīng)于多壁碳納米管在彎曲載荷下層間范德華作用的約束效應(yīng),使得多壁碳納米管各層的應(yīng)變能不能在瞬間同時(shí)有效釋放,導(dǎo)致多壁碳納米管由外向內(nèi)逐漸屈曲。
　　 對(duì)碳納米管后屈曲階段的系統(tǒng)模擬表明,由于屈曲結(jié)處應(yīng)力集中,受彎碳納米

9、管會(huì)在屈曲結(jié)處形成sp3鍵。多壁碳納米管由于層間相互作用較強(qiáng),因此更容易形成層間sp3鍵,spa鍵的位置主要在高曲率處。對(duì)于單壁碳納米管,小尺寸(管徑、長(zhǎng)度)碳納米管由于單位原子承受應(yīng)變能較高,更容易形成sp3鍵,而大尺寸單壁碳納米管由于柔性較高難以形成Sp3鍵。
　　 5.針對(duì)納米石墨帶的國(guó)際最新前沿進(jìn)展,研究了沿縱向半打開合成的碳納米管-石墨納米帶的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的熱穩(wěn)定性和力學(xué)性能。我們的分子動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果表明隨著溫度的升高,

10、自由邊界的碳納米管和石墨帶由于連接處的懸鍵相距較近,可以從新鍵合形成無(wú)缺陷碳納米管,因此穩(wěn)定性顯著降低。自愈合形成碳納米管的時(shí)間與溫度相關(guān),溫度越高,自愈合速率越快。
　　 拉伸模擬表明,無(wú)論是由armchair還是zigzag碳納米管打開的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)在室溫下都呈脆性斷裂模式,armchair結(jié)構(gòu)的彈性極限高于zigzag結(jié)構(gòu)。在400K時(shí),armchair結(jié)構(gòu)仍為脆性斷裂,但zigzag結(jié)構(gòu)有向塑性變形轉(zhuǎn)化的趨勢(shì)。在所有模擬中