碳納米管與硅基底吸附性能的拉伸分子動(dòng)力學(xué)研究.pdf

1、 學(xué)校代碼：10406 中圖分類號(hào)： O347.1 學(xué)號(hào)： 100080104004 南昌航空大學(xué) 南昌航空大學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 (學(xué)位研究生) 碳 納 米 管 與 硅 基 底 吸 附 性 能 的 拉伸 分 子 動(dòng) 力 學(xué) 研 究 碩士研究生： 彭德鋒 導(dǎo) 師： 江五貴 教授 申請學(xué)位級(jí)別： 碩 士 學(xué)科、專業(yè)： 工程力學(xué) 所在

2、單位： 飛行器工程學(xué)院 答辯日期： 2012 年 12 月 授予學(xué)位單位： 南昌航空大學(xué) I 摘要 作為計(jì)算機(jī)模擬中非常重要的一種方法，分子動(dòng)力學(xué)模擬在許多領(lǐng)域扮演著非常重要的角色。依據(jù)此模擬技術(shù)對碳納米管和硅組成的系統(tǒng)進(jìn)行了一系列的研究，模擬了碳納米管在硅板上剝離和剪切的兩個(gè)過程。在剝離部分主要討論了碳納米管的拉伸速度、半徑、長度和缺陷對剝離力的影響，剝離角度與最大剝離力的關(guān)系；在剪切部分主要討論了拉伸速度、碳納

3、米管半徑以及兩種常見缺陷對剪切的影響。 首先，系統(tǒng)地介紹了分子動(dòng)力學(xué)模擬技術(shù)的基本原理，對該技術(shù)中所涉及的主要概念做了詳細(xì)的介紹。接著對文中涉及的模擬相關(guān)細(xì)節(jié)進(jìn)行了總結(jié)，包括勢函數(shù)的選擇，單位的統(tǒng)一，時(shí)間步長的選擇。 其次，采用拉伸分子動(dòng)力學(xué)方法研究了單壁碳納米管(8, 8)在室溫下從硅基板上以不同角度被剝離的過程。當(dāng)碳納米管(CNT)在硅基底上被剝離時(shí)，剝離距離 X和理想彈簧所測平均剝離力 F 之間呈現(xiàn)一定規(guī)律的關(guān)系曲線， 并出現(xiàn)了較

4、大的正、負(fù)峰值。隨著剝離角度的不斷增加，最大剝離力呈現(xiàn)下降的趨勢，這和剝離的理論模型吻合較好。比較了不同剝離速度下的平均剝離力，并擬合了其峰值與速度的關(guān)系。拉伸分子動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果顯示，所需剝離力的最大值與速度之間呈現(xiàn)一定的線性關(guān)系。我們還討論了碳納米管長度和半徑對剝離過程的影響，研究表明所需最大的剝離力與 CNT 的長度無關(guān)，但隨 CNT 半徑的增加，需要的最大剝離力線性增加。在研究碳納米管缺陷對剝離的影響時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)，5-7-7-5

5、缺陷對剪切力影響較小，而半徑變化缺陷對其影響較大。 最后，采用拉伸分子動(dòng)力學(xué)方法研究了室溫下單壁碳納米管在硅基板上作剪切運(yùn)動(dòng)的過程。比較了不同剪切速度下的平均剪切力，并擬合了剪切力與速度的關(guān)系，結(jié)合相應(yīng)的理論公式，得出了吸附作用下的能量勢壘和躍遷狀態(tài)與平衡狀態(tài)的間距。拉伸分子動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果顯示，剪切力與速度之間呈現(xiàn)一定的線性關(guān)系，模擬結(jié)果同生物物理學(xué)上類似的剝離實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好，但相比于高分子，CNT 和硅組成的界面吸附性能更強(qiáng)。 研究