碳納米管及雙晶金屬界面力學(xué)行為的計算模擬

1、大連理工大學(xué)博士學(xué)位論文 摘 要 本論文詳細(xì)闡述了分子動力學(xué)方法的基本概念和主要技術(shù)，并采用分子動力學(xué)方法和恰當(dāng)?shù)脑娱g相互作用勢函數(shù)研究了若干納米尺度下的力學(xué)問題，包括層間范德華力在雙壁碳納米管變形過程中的作用、金屬填充單壁碳管的屈曲變形以及晶體缺陷對雙晶金屬界面力學(xué)行為的影響。 自年被日本學(xué)者發(fā)現(xiàn)以來，由于其多方面的優(yōu)異性質(zhì)，碳納米管吸引了眾多的關(guān)注。人們使用實(shí)驗技術(shù)、理論模型及計算機(jī)模擬等方法對其各方面的性質(zhì)進(jìn)行了廣泛的研究。本文使用分子動力學(xué)方法，研究了雙壁碳納米管中層間范德華相互作用對碳管的力學(xué)行為的影響。首先，考察了非常規(guī)間距扶手椅型和鋸齒型雙壁碳管在單軸壓縮載荷作用下的屈曲變形。

2、計算結(jié)果表明，層間距變化帶來的層間范德華力變化對管的屈曲變形產(chǎn)生了重要影響。某些非常規(guī)間距管具有優(yōu)于常規(guī)間距管的壓縮穩(wěn)定性，且層間范德華力對不同手性雙壁碳管的力學(xué)行為的影響是不同的。 對單、雙壁手性型碳納米管而言，軸向應(yīng)變會引起耦合的扭轉(zhuǎn)變形。在壓縮載荷作用下，手性型單壁管存在兩個臨界應(yīng)變。在第一個臨界應(yīng)變處扭轉(zhuǎn)開始松弛，并在第二個臨界應(yīng)變處恢復(fù)到無扭轉(zhuǎn)狀態(tài)。層間范德華力的存在從本質(zhì)上改變了手性型雙壁管中外管的變形耦合機(jī)制，其外管的兩個臨界應(yīng)變由壓應(yīng)變一側(cè)遷移到了拉應(yīng)變一側(cè)。另外，雙壁管中內(nèi)管的變形體現(xiàn)出了對管徑的依賴性；而外壁管的變形則對半徑變化不敏感。 在碳納米管內(nèi)部填充金屬能顯著地改變管

3、的輸運(yùn)、電子及力學(xué)性質(zhì)，形成一些新穎的多功能納米設(shè)備。金屬填充碳納米管在多相催化、納米設(shè)備、電磁波吸收、高密度磁介質(zhì)存儲以及磁力顯微鏡的傳感器等領(lǐng)域都有潛在的應(yīng)用前景。本文研究了由單質(zhì)金屬及二元合金完全或不完全填充的單壁碳納米管在軸向壓縮載荷作用下的力學(xué)行為，系統(tǒng)地考察了金屬填充比、管的幾何參數(shù)（管徑、管長和手性）以及合金組分和初始分布對金屬填充管變形的影響。由于管壁的限制作用，內(nèi)部金屬團(tuán)簇中的原子排列成同軸殼層的形式。對不完全填充管而言，團(tuán)簇邊界可以視為一種帶來弱化效應(yīng)的缺陷，另外金屬原子對管壁的作用降低了管壁碳原子的自由度，增加了對管壁的約束從而提高了管的剛度。團(tuán)簇邊界效應(yīng)和約束效應(yīng)兩者問

4、的競爭決定了填充管臨界屈曲應(yīng)變隨填充數(shù)目變化的整體趨勢。填充管的屈曲模式也與對應(yīng)的空碳管不同。通過對比不同金屬完全填充管的臨界應(yīng)變值可以發(fā)現(xiàn)，在軸向壓縮載荷作用下，鎳填充管的壓縮穩(wěn)定性要比銅填充管和鉑填充管好，而鉑填充管則具有更好的后屈曲穩(wěn)定性。 由于內(nèi)部金屬的引入，填充管的變形機(jī)制要比空管復(fù)雜。填充管的臨界應(yīng)變對管長的依賴性大致可以分為四個線性階段，伴隨著臨界長度處屈曲模式由局部到整體的轉(zhuǎn) 碳納米管及雙晶金屬界面力學(xué)行為的計算模擬變。內(nèi)部金屬原子排列方式的演化與管長變化兩種影響因素間的競爭決定了臨界應(yīng)變的整體變化趨勢。短管的屈曲模式為管壁上帶有小凹陷的局部屈曲，與宏觀尺度下薄殼的屈曲模式類似

5、；長管的屈曲則是整體向一側(cè)彎曲，與歐拉桿的整體屈曲模式類似。對一組具有相同長度但是半徑不同的扶手椅型填充管的模擬結(jié)果表明，臨界應(yīng)變首先隨半徑增大線性減??；然后在左右漲落，幾乎不受半徑變化的影響。這與空管的結(jié)論不同，空管的臨界應(yīng)變是隨著半徑增大而線性單調(diào)減小的。管徑增大帶來的弱化效應(yīng)和金屬原子施加在管壁上的約束帶來的強(qiáng)化效應(yīng)共同決定了臨界應(yīng)變隨半徑的變化規(guī)律。與具有同等長度和半徑的鋸齒型填充管相比，扶手椅型填充管的臨界應(yīng)變要低，但卻更容易通過內(nèi)部金屬的填充來達(dá)到強(qiáng)度提升的效果。 對由二元合金完全填充的單壁碳管而言，初始平衡狀態(tài)下金屬原子的排列方式受到組分金屬百分比的影響。在合金填充管中，當(dāng)?shù)臄?shù)目

6、分?jǐn)?shù)小于時，觀察到了金屬原子的螺旋式排列：但是，當(dāng)原子的數(shù)目分?jǐn)?shù)較高時，在和系統(tǒng)中，金屬原子都以直線方式排列，并且在管中間有單原子金屬鏈出現(xiàn)。在特定的組分區(qū)間內(nèi)，合金填充碳管的臨界應(yīng)變可能高于由任一種單質(zhì)組份金屬填充的管。填充管的屈曲行為對金屬原子在初始平衡狀態(tài)下的隨機(jī)分布有較強(qiáng)的依賴性。合金種類、組分及金屬原子初始隨機(jī)分布等因素共同決定了合金填充管的臨界應(yīng)變值。由合金完全填充的碳管的屈曲模式主要為帶有分布式小凹陷的局部屈曲。 對納米尺度下的材料而言，由于位于界面附近的原子比例升高，導(dǎo)致界面對材料性質(zhì)的影響愈發(fā)明顯。在前面對金屬原子間相互作用勢函數(shù)理解的基礎(chǔ)上，本文研究了金屬界面的力學(xué)行為。使

7、用分子動力學(xué)方法和嵌入原子勢函數(shù)，以銅銅雙晶顆粒邊界及銅鋁異質(zhì)結(jié)合界面為代表，研究了幾種晶體缺陷（點(diǎn)空位、線空位及裂紋）對同質(zhì)及異質(zhì)金屬界面力學(xué)行為的影響。 對銅銅雙晶顆粒邊界的研究表明，界面區(qū)域的粗糙本質(zhì)容易誘發(fā)應(yīng)力集中，導(dǎo)致顆粒邊界處是一個較弱的連接部位。晶體缺陷對界面力學(xué)行為具有強(qiáng)烈的影響。界面行為對某一種缺陷的依賴性在拉伸和剪切作用下是不同的。值得注意的是，一些缺陷拓?fù)淇梢愿纳平缑娴哪承┝W(xué)性質(zhì)，如強(qiáng)度和斷裂應(yīng)變等。 對銅鋁異質(zhì)結(jié)合界面的研究表明，界面處的異質(zhì)連接同樣是一個較弱的部位，界面行為對缺陷種類及分布有明顯的依賴性。含缺陷雙晶界面的破壞方式主要是伴隨著孔洞成核和長大的塑性斷裂。

8、在一些含缺陷界面的變形過程中，觀察到了不全位錯的萌生。 關(guān)鍵詞：分子動力學(xué)方法；碳納米管；金屬填充碳納米管；雙晶金屬界面 大連理工大學(xué)博士學(xué)位論文 也 ， ， ， ， （） ， ， （） ， ， ， （、 ?幔歟酰? ” ， ， 。 ， 碳納米管及雙晶金屬界面力學(xué)行為的計算模擬 ， ， ， ，研也 ， 【 （， ）， ， ， ， 。 ， 、，也 ， 丘 。 也 、也 、航 王也 謝 大連理工大學(xué)博士學(xué)位論文 ， ， ， （ ） ， ， ， ， ，（ ） ， ?猓澹瑁幔觶椋錚? ， ， ：認(rèn) ； ； ； 大連理工大學(xué)學(xué)位論文獨(dú)創(chuàng)性聲明 作者鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下進(jìn)行研究

9、工作所取得的成果。盡我所知，除文中已經(jīng)注明引用內(nèi)容和致謝的地方外，本論文不包含其他個人或集體己經(jīng)發(fā)表的研究成果，也不包含其他已申請學(xué)位或其他用途使用過的成果。與我一同工作的同志對本研究所做的貢獻(xiàn)均已在論文中做了明確的說明并表示了謝意。 若有不實(shí)之處，本人愿意承擔(dān)相關(guān)法律責(zé)任。學(xué)位論文題目：碭呦奉擘鏖盈翊壘潞受應(yīng)！莩趕遺重魚茸琿礁擬作者簽名： 王磊 日期：一蘭塑多牟阜月塹日 大連理工大學(xué)博士學(xué)位論文 大連理工大學(xué)學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本人完全了解學(xué)校有關(guān)學(xué)位論文知識產(chǎn)權(quán)的規(guī)定，在校攻讀學(xué)位期間論文工作的知識產(chǎn)權(quán)屬于大連理工大學(xué)，允許論文被查閱和借閱。學(xué)校有權(quán)保留論文并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論

10、文的復(fù)印件和電子版，可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印、或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。學(xué)位論文題目：作者簽名：導(dǎo)師簽名： 大連理工大學(xué)博士學(xué)位論文 緒論碳納米管簡介 自年被日本學(xué)者】發(fā)現(xiàn)以來，由于其多方面的優(yōu)異性質(zhì)，碳納米管吸引了眾多的關(guān)注和大量的科研投入。在力學(xué)特性方面，碳納米管具有完美的幾何結(jié)構(gòu)、超高的強(qiáng)度和較低的密度，以及很好的力電耦合特性等；在電學(xué)特性方面，碳管有超強(qiáng)的單電子傳輸能力和低溫庫倫阻塞效應(yīng)，可以被看成是具有良好導(dǎo)電性能的一維量子導(dǎo)線，有報道介紹了碳納米管在超導(dǎo)領(lǐng)域可能的應(yīng)用前景；熱學(xué)特性方面，碳納米管具有非常大的長細(xì)比，因而其

11、沿著長度方向的熱交換性能很高，相對的其徑向的熱交換性能較低，通過合適的取向，用碳納米管可以合成高各向異性的熱傳導(dǎo)材料。碳納米管有較高的熱傳導(dǎo)率，只要在復(fù)合材料中摻入微量的碳納米管，該復(fù)合材料的熱導(dǎo)率就可能得到很大程度的改善。另外，碳納米管還具有良好的光學(xué)和儲氫性能。正因為擁有如此多的優(yōu)異性能，碳納米管被廣泛地認(rèn)為在眾多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景和使用價值。比如：可作為復(fù)合材料的增強(qiáng)相口。，可應(yīng)用于納米尺度晶體管【、生物和化學(xué)傳感器【、高效的阻尼材料，、電子元件【】、場發(fā)射器【、高分辨率掃描顯微鏡的探針。、分子馬達(dá)瞄】、吸能材料【】以及邏輯電路】等。 從結(jié)構(gòu)特征區(qū)分，碳納米管可以分為單壁管和多壁管。

12、下面將分別介紹它們的幾何特征。單壁碳納米管 圖石墨片卷曲成碳納米管的示意圖鯽 】 碳納米管及雙晶金屬界面力學(xué)行為的計算模擬 單壁碳納米管郾】可看作是由石墨層片沿不同方向卷曲而成，在卷曲的過程中保持石墨片中的六邊形不變，因此可以通過石墨片的卷曲方式來表征碳納米管。根據(jù)不同的卷 曲方式，即碳六邊形沿軸向的不同取向，可以將單壁碳納米管分成扶手椅型、鋸齒型和手性型三類。具體地，如圖所示，云。和云，為石墨層中兩個基本矢量，其中，舊 ：，。是石墨層中碳碳鍵的初始平衡鍵長。以任一原子所在位置為起點(diǎn)，作矢量經(jīng)過另一個碳原子，矢量可以由基本矢量五，和，合成，即可以表示為施，五，其中聆和均為整數(shù)。然后，作的垂直線

13、，點(diǎn)為該直線所經(jīng)過的石墨層片上的第一個碳原子，向量記為于，稱為平移向量。過點(diǎn)作平行于直線的直線?碌鬩脖曇橇艘桓鎏莢櫻溝彌畢擼攏悶叫杏謚畢擼希粒蚴械木匭危希粒攏霉鉤商寄擅墜苤械囊桓齷局芷冢渲邢蛄浚希劣刖獬葜嶂淶募薪強(qiáng)誄莆菪恰裕希夢峋砬怪畢擼希糜耄粒輪嶂睪希蔥緯閃酥嵯蛭桓鮒芷詰牡諤寄擅墜堋?圖扶手椅型、鋸齒型和手性型單壁碳納米管結(jié)構(gòu)示意圖（從左到右） ， （ ） 由上分析，可以清楚地發(fā)現(xiàn)單壁碳納米管的結(jié)構(gòu)可以通過整數(shù)對（玎，）或者螺旋角臼來表征，其中整數(shù)對（，）稱為管韻手性指標(biāo)。當(dāng)?shù)肚伊?，即螺旋角。時，所形成的單壁碳納米管為鋸齒型（）；當(dāng)，？，即螺旋角。時，所形成的單 大連理工大學(xué)障士學(xué)位論文 壁

14、碳納米管為扶手椅型（）；當(dāng)，即螺旋角時，所形成的單 壁碳納米管為手性型（）（如圖上）。 根據(jù)單壁碳納米管的手性指標(biāo)，可以進(jìn)步確定出一些其它的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)： 。：旦；叢巫 單壁碳納米管的半徑 （） 其中口。 單壁碳納米管的螺旋角 血： ！塑 （上） 多壁碳納米管 田多壁碳納米管的俯視圖和偏視圖 “ 多壁碳納米管唧可以看作是由同心的單壁碳納米管嵌套組合而成（如圖 ）。常規(guī)情形下，實(shí)驗臺成得到的多壁管中相鄶兩管的層間距通常為嫩，相臨管的周長相差 。在多壁碳納米管中，層與層之間通過較弱的范德華力相結(jié)合。有研究表明，在室溫條件下多壁臂中層與層之間容易發(fā)生相對滑移和旋轉(zhuǎn)（各自所需的能量分別為 和 ）。但是

15、在多壁納米管的穩(wěn)定性研究中發(fā)現(xiàn)其兩端容易形成類似富勒烯的籠狀結(jié)構(gòu)，而籠狀結(jié)構(gòu)和多壁碳納米警中存在的缺陷可限制層與層之間的相對滑移和旋轉(zhuǎn)。相對于單壁碳納米管而言，多壁碳納米管的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，因此需要三個以上的參數(shù)來確定，除了直徑和螺旋角之外，還需要考慮管壁之間的間距以及不同層之間的手性組合關(guān)系。 碳納米管及雙晶金屬界面力學(xué)行為的計算模擬碳納米管變形與力學(xué)行為的研究背景 力學(xué)性質(zhì)作為最基本的材料屬性，在材料研究領(lǐng)域具有根本性的地位。人們嘗試用各種方法對碳納米管的結(jié)構(gòu)和力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了廣泛而深入的探究，相關(guān)的綜述性工作也得到了大量的報道，例如：等口、和】、等【、等【】、等【、己丘】、等【】、等、等【】

16、及楊衛(wèi)等【舢】。 目前碳納米管的實(shí)驗研究主要是采用透射電子顯微鏡、原子力顯微鏡、掃描電鏡及拉曼光譜等設(shè)備對碳納米管的物理力學(xué)特性，如楊氏模量、泊松比、彎曲剛度等，進(jìn)行實(shí)驗研究和測量。等一批研究人員分別嘗試用不同的手段對碳納米管的模量和剛度等進(jìn)行了實(shí)驗測型”引，得到了大小不同的數(shù)值。另外，還有一些實(shí)驗研究集中于碳管的變形過程，如等】觀察到了單壁碳納米管在高溫環(huán)境下的超塑性行為。在攝氏度的高溫下利用壓電操作器進(jìn)行了單壁碳納米管的拉伸實(shí)驗，觀測到單壁碳納米管斷裂時其長度為初始長度的倍。 接下來將從“原子層次的研究方法”、“連續(xù)體理論研究方法”及“多尺度方法”三個方面對碳納米管力學(xué)行為的相關(guān)研究背景進(jìn)行介紹。原子層次的研究方法 鑒于碳納米管的空間特征尺度，使用原子論方法，如經(jīng)典分子動力學(xué)和量子力學(xué)等，對其性質(zhì)進(jìn)行研究是一個自然的選擇。人們使用經(jīng)典分子動力學(xué)【，】、緊束縛分子動力學(xué)】、密度泛函理論【刪等方法對單壁和多壁碳納米管在拉、壓、彎、扭等基本力學(xué)變形下的性質(zhì)進(jìn)行了研究。等【】使用分子動力學(xué)方法研究了在循環(huán)施加的軸向壓縮載荷作用下的單壁碳管的后屈曲行為。王立峰等使用第一代勢和分子動力學(xué)方法研究了層間范德華力對常規(guī)間距（約 ）雙壁碳納米管在軸向壓縮和彎曲作用下的屈曲變形的影響；等，使用第二代勢和分子動力學(xué)方法研究了單壁碳納米管的