高溫及外場作用下碳納米管大變形物理力學(xué)問題研究.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),被廣泛認為將是構(gòu)建下一代高性能納米機電器件基元的理想材料。對其大變形物理力學(xué)行為的研究一直是該領(lǐng)域的前沿重點之一,新的現(xiàn)象仍然不斷被發(fā)現(xiàn),對設(shè)計基于碳納米管的納米機電器件具有重要的指導(dǎo)意義。本文利用基于Tersoff-Brenner勢的分子動力學(xué)和密度泛函(DFT)第一原理(First Principles)方法,對碳納米管在高溫、強電場、及彎曲載荷下的大變形物理力學(xué)問題進行

2、了系統(tǒng)研究,取得以下主要進展:
　　 1.利用分子動力學(xué)對實驗觀察到的單壁碳納米管高溫超塑性變形現(xiàn)象進行了系統(tǒng)研究,發(fā)現(xiàn)前人提出的單個缺陷滑移產(chǎn)生超塑性變形的模型過于理想話,物理上有限的缺陷形核和擴展不符合高溫統(tǒng)計學(xué)原理,并且單個或少量缺陷往往會導(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,大量均勻分布的拓撲缺陷的形核對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程中沒有顯著的局域弱化

3、,缺陷之間的相互作用和隨機擴展使得碳納米管在高溫下超塑性伸長直至最后斷裂。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)界對這一新現(xiàn)象的認識,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,與實驗觀測一致。
　　 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,基于這個發(fā)現(xiàn)和實驗操作中的焦耳加熱特點,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制,并得到分子動力學(xué)模擬結(jié)果的證實,與實驗觀察吻合。
　　 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)在高溫加熱過程中多壁碳納米管會形成層問sp3鍵,成鍵的能力隨溫度的升高而增強。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、相對較低,所以在加熱過程中內(nèi)管之間率先形成sp3鍵,作為曲率極小的極端情況,雙層石墨在加熱過程中也會產(chǎn)生層間sp3鍵,但穩(wěn)定性較低,容易受擾動而消失。拉伸模擬表明,由于這些層問鍵不導(dǎo)致碳納米管的顯著結(jié)構(gòu)破壞,因此它們不會導(dǎo)致多壁碳納米管拉伸強度的顯著降低。與此同時,由于層問鍵的引入有效提高了多壁碳納米管的層問載荷傳遞能力,因此我們提出利用高溫?zé)崽幚韥順?gòu)造基于碳納米管的超強納米纖維復(fù)合材料的新方案。
　　 第一原理的計算表明,無論

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,在費米能級處產(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,有望促進碳納米管在未來半導(dǎo)體工業(yè)中的應(yīng)用。
　　 3.利用密度泛涵理論,研究了有限長單壁碳納米管在強電場下力電耦合性質(zhì),我們的結(jié)果發(fā)現(xiàn)由于碳納米管在強電場下的巨電致變形效應(yīng),碳納米管的電子結(jié)構(gòu)會被顯著調(diào)節(jié),不

7、同手性的碳納米管的能級間隙隨電場的改變展現(xiàn)出不同的變化趨勢。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和電致變形調(diào)節(jié)最弱,因而其場發(fā)射效應(yīng)不如開口碳納米管,與實驗結(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強度成正比,而電致變形效應(yīng)使電偶極矩進一步增加,隨電場強度呈非線性變化關(guān)系。
　　 4.將分子動力學(xué)模擬與原子力顯微鏡觀

8、測相結(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有效釋放,導(dǎo)致多壁碳納米管由外向內(nèi)逐漸屈曲。
　　 對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,因此更容易形成層間sp3鍵,spa鍵的位置主要在高曲率處。對于單壁碳納米管,小尺寸(管徑、長度)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.針對納米石墨帶的國際最新前沿進展,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,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。在所有模擬中