異型碳納米管的力學(xué)性質(zhì)研究.pdf

1、博士學(xué)位論文異型碳納米管的力學(xué)性質(zhì)研究MechanicalPropertiesofSpecialshapeCarbonNanotubes學(xué)號：10803026答辯日期：大連理工大學(xué)DalianUniversityofTechnology大連理工大學(xué)博士學(xué)位論文摘要自從碳納米管問世以來，各界學(xué)者對碳納米管的研究如星火燎原般在全世界范圍內(nèi)展開。經(jīng)過近三十年的研究，實驗學(xué)家們己能在實驗中實現(xiàn)各種尺寸的聚團(tuán)狀／垂直陣N／水平陣列的單壁／多壁碳納

2、米管的宏量制備，并且應(yīng)用碳納米管卓越的導(dǎo)電、導(dǎo)熱、磁學(xué)、光學(xué)及力學(xué)等特性，制造了具有高導(dǎo)電性、高強(qiáng)度、高硬度、超疏水等性能的產(chǎn)品。全世界每年關(guān)于碳納米材料的專利呈指數(shù)級增長，碳納米材料己然顛覆了人們傳統(tǒng)的生活方式和思維方式。在充分了解直單壁碳納米管的基礎(chǔ)上，對異型碳納米管的研究也日漸興盛，異型碳納米管不僅有直碳納米管的優(yōu)異特性，還因其特殊的形狀形態(tài)使其能突出強(qiáng)化某一方面的特性，從而可用于特殊結(jié)構(gòu)和用途的元件設(shè)計。本論文主要針對Y型碳納米

3、管、環(huán)型碳納米管及螺旋型碳納米管，采用分子動力學(xué)方法，基于第二代Brenner勢，系統(tǒng)地研究了它們的結(jié)構(gòu)、熱力學(xué)穩(wěn)定性及力學(xué)性質(zhì)，并且從原子的角度探索了其在載荷作用下的失穩(wěn)破壞機(jī)理。異型碳納米管的產(chǎn)生主要是在六邊形的網(wǎng)格中引入五邊形、七邊形及八邊形等缺陷產(chǎn)生曲率的變化。例如：C。對稱的Y型碳納米管，每兩個支管間由兩個七邊形提供曲率的改變；環(huán)型／螺旋型碳納米管，其內(nèi)部由七邊形缺陷提供負(fù)曲率，外邊緣由五邊形缺陷提供正曲率。為了研究異型碳納米

4、管本身的缺陷對其力學(xué)性質(zhì)的影響，首先對Y型碳納米管的三個分支同步施加軸向拉伸載荷，研究了其失效破壞機(jī)理。研究發(fā)現(xiàn)：夾角處的七邊形在拉伸載荷的作用下會產(chǎn)生以螺旋方向向外擴(kuò)散的剪切帶，從而在支管上剪切帶疊加的位置激發(fā)產(chǎn)生Stone—Wales轉(zhuǎn)化，使應(yīng)變能得到有效釋放。隨著加載的繼續(xù)，缺陷迅速演化，由多個不穩(wěn)定的四、五、七小缺陷環(huán)匯聚成大缺陷環(huán)，進(jìn)而裂帶，產(chǎn)生明顯的頸縮現(xiàn)象，最后斷裂成碳烯鏈結(jié)構(gòu)。和直碳納米管斷裂不同的是：Y型管的失穩(wěn)破壞機(jī)

5、理可以由剪切帶理論預(yù)測，失穩(wěn)只發(fā)生在一個分支上。我們還研究了溫度對Y型碳納米管破壞機(jī)理的影響，得出結(jié)論：隨著溫度的升高，Y型碳納米管進(jìn)入塑性變形階段的臨界應(yīng)變變小。螺旋型碳納米管在軸向拉伸載荷作用下的力學(xué)性質(zhì)和失效破壞機(jī)理也被系統(tǒng)研究。根據(jù)七邊形缺陷相對于管軸的分布，四種互為同分異構(gòu)體的螺旋結(jié)構(gòu)被構(gòu)建。分子動力學(xué)的模擬結(jié)果表明：四種螺旋結(jié)構(gòu)在彈性部分的力學(xué)性質(zhì)相當(dāng)，彈簧彈性系數(shù)相差不大，與缺陷分布基本無關(guān)；但是，彈性極限和在整個塑性階段