碳納米管的等效彈性參量和屈曲行為分子動力學(xué)模擬研究.pdf

1、碳元素奇異獨特的物性和多種多樣的形態(tài)逐漸被人們發(fā)現(xiàn)、認(rèn)識和利用。石墨電極的應(yīng)用、碳纖維復(fù)合材料的開發(fā)、金剛石薄膜的推廣等都極大推動了人類文明的進(jìn)步。碳納米管被發(fā)現(xiàn)以后，理論推測和實驗研究都證明其具有超高的強(qiáng)度、剛度和韌性以及特異的電學(xué)性質(zhì)。在納米機(jī)械、納米復(fù)合材料等領(lǐng)域的應(yīng)用前景不可估量，這追切要求對碳納米管的基本力學(xué)性能和形變機(jī)理有更深入的了解。本文以碳納米管作為研究對象，選用的研究方法為分子動力學(xué)方法。該方法將碳納米管看成單個原子的

2、集合體，以單個原子為研究對象建立運動方程，通過求解每個原子的運動軌跡獲得碳納米管結(jié)構(gòu)的變形行為。分子動力學(xué)方法可以通過計算機(jī)再現(xiàn)碳納米管在各種真實環(huán)境中的動態(tài)變化過程，提供碳原子運動和碳-碳鍵合力變化的細(xì)節(jié)，從而揭示碳納米管變形的微觀機(jī)理。分子動力學(xué)方法對于研究碳納米管的力學(xué)行為具有不可替代的優(yōu)勢。 ⑴采用分子動力學(xué)方法模擬研究了碳納米管在各種荷載作用下的變形屈曲行為。加載形式包括軸壓、扭轉(zhuǎn)、外壓三種簡單荷載，以及軸壓和外壓、軸

3、壓和扭轉(zhuǎn)、軸壓和熱荷載三種復(fù)合荷載。分析了碳納米管的內(nèi)力和勢能隨應(yīng)變的變化，給出了不同加載形式下的變形形式和屈曲模態(tài)，重點研究了溫度變化對屈曲和后屈曲行為的影響，并討論了碳納米管的幾何特性對屈曲行為的影響。針對碳納米管基本力學(xué)參量的研究尚未形成共識，本文把分子動力學(xué)的模擬結(jié)果和高階剪切殼體理論相結(jié)合，完全確定了單壁和雙壁碳納米管的等效彈性參量。 ⑵在簡單荷載作用下的屈曲行為研究中，詳細(xì)記錄了碳原子間的作用力和應(yīng)變能隨應(yīng)變的變化，

4、分析了屈曲前后變化規(guī)律的改變，給出了碳納米管的典型屈曲模態(tài)，并對三種荷載作用下的不同力學(xué)行為進(jìn)行了橫向比較。得出溫度對軸壓、扭轉(zhuǎn)和外壓的屈曲行為產(chǎn)生不同程度的影響，碳納米管的屈曲行為依賴于長度和半徑而變化，范德華力也對扭轉(zhuǎn)和外壓后屈曲行為產(chǎn)生一定影響，而對軸壓后屈曲行為的影響可以忽略。 ⑶在復(fù)合荷載作用下的屈曲行為研究中，分析了不同加載比例下，碳納米管內(nèi)力-應(yīng)變曲線的變化，以及變形模式的改變。將復(fù)合荷載作用下的力學(xué)行為與簡單加載

5、情況進(jìn)行了對比。討論了碳納米管的幾何特性對屈曲行為的影響。對于軸壓和外壓以及軸壓和扭轉(zhuǎn)的加載形式，給出了臨界關(guān)系曲線。在軸壓和扭轉(zhuǎn)復(fù)合荷載作用下，得出溫度升高會引起臨界荷載和后屈曲路徑的下降。在軸壓和熱荷載共同作用下，發(fā)現(xiàn)高溫下碳原子的熱振動，將導(dǎo)致較小半徑鋸齒型碳納米管的臨界屈曲溫度大幅降低。 ⑷根據(jù)分子動力學(xué)模擬結(jié)果，發(fā)現(xiàn)碳納米管在較高溫度下具有良好的自修復(fù)功能，能夠自動修復(fù)因碳-碳鍵斷裂在管壁上造成的大缺口，修復(fù)好的缺口經(jīng)

6、常轉(zhuǎn)換成Stone-Wales結(jié)構(gòu)的形式。 ⑸針對碳納米管基本力學(xué)參量的研究結(jié)果尚未統(tǒng)一及以前研究工作中存在的不足，將碳納米管等效成正交各向異性的圓柱殼體，把分子動力學(xué)的模擬結(jié)果和高階剪切殼體理論相結(jié)合，唯一確定了單壁和雙壁碳納米管的等效彈性參量。根據(jù)不同溫度下的分子動力學(xué)模擬結(jié)果，得出楊氏模量隨溫度的升高而降低。當(dāng)溫度小于700K時，剪切模量隨溫度升高而增大；當(dāng)溫度大于700K時，剪切模量基本維持不變。在高階剪切殼體理論中采用