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纳米线及其复合结构的力学行为研究

作　者: 孙丰伟
导　师: 李辉
学　校: 中国海洋大学
专　业: 凝聚态物理
关键词: 碳纳米线碳纳米管合金纳米线分子动力力学力学性质
分类号: TB383.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

纳米线以及碳纳米管基复合材料等多功能材料在最近几年已经引起人们广泛的兴趣,主要由于其在纳米机械结构和纳米电子器件上潜在的应用价值以及它们独特的力学、磁学、光学和电学性质上。尤其在力学性质上,纳米线表现出相当大的屈服应力和杨氏模量,是将来作为纳米器件以及功能元件的重要选择。因此,深入研究纳米线及其复合材料的力学性能和特点具有重要的意义。虽然随着更先进的探测仪器的出现,近几年纳米科学技术有了突飞猛进的发展。比如,人们可以看到并且操纵原子。但是有很多领域的研究还不够完善,需要我们去深入地探究。本文采用计算机模拟方法,对纳米线及其复合材料的拉伸及压缩的力学性能作了研究,进一步理解了这类纳米线材料的变形机理,并希望通过这样的手段寻找出性能更优越的纳米线材料。本文主要采用了基于分子动力学的模拟退火,能量最小化以及基于第一性原理的密度泛函(DFT)的方法对碳、Ni-Al合金、以及单质铜进行优化并且得到稳定的纳米线结构,这种束缚在纳米管中的材料经过优化后呈现出奇异的螺旋形或者多壁的结构。通过对这类纳米线材料进行力学性质的测量,得到诸如应力-应变曲线、应变-应变能曲线、以及最大承受载荷和杨氏模量等。模拟结果表明:超细碳纳米线表现出很好的超塑性特点,其中最大应变量可达到245%,使原来的螺旋形结构完全拉伸成为单原子链。但这种超塑性现象并不存在于所有碳纳米线中,随着直径的增大,碳纳米线的超塑性便会消失。在拉伸碳纳米线嵌入碳纳米管复合材料的过程中,碳管首先发生断裂,组成纳米线的碳原子与碳纳米管壁结合,最终形成纳米桥结构。Ni-Al纳米线在拉伸过程中,外层部分原子向内部滑移,导致半径减小并形成缩颈现象,并且缩颈处出现原子层的增加。Ni-Al纳米线的杨氏模量与组分和不同原子分布有关。在模拟铜纳米线装入碳纳米管的压缩过程中,发现铜原子的加入能够有效提高碳纳米管的稳定性和最大承受载荷。但是这种提高是有条件的,依赖于该材料的纵横比。当纵横比小于一定值时,铜纳米线的加入对碳纳米管起到增强作用,当超出这个值时,这种纳米复合材料可以被看作为一维长杆,其稳定性和屈服强度不及中空的碳纳米管。同时研究了铜纳米线装入不同类型(扶手椅型和zigzag型)碳纳米管中的杨氏模量随着长度和直径的关系变化情况。杨氏模量的值随着长度的增加而缓慢减小,并且随着直径的增加也在减小,最终当达到一恒定值。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-11
第一章绪论  11-20
  1.1 纳米科学与技术简介  11-12
  1.2 碳纳米管材料的特点  12-13
  1.3 纳米线材料  13-17
    1.3.1 纳米线的制备  13-14
    1.3.2 尺寸对材料性质的影响  14
    1.3.3 金属纳米线的结构及力学、电学特点  14-16
    1.3.4 基于第一性原理的方法研究纳米线力学、电学特性  16-17
    1.3.5 纳米线的形状记忆效应  17
  1.4 碳纳米管复合材料  17-20
第二章研究方法  20-30
  2.1 解析多体势函数  20-23
    2.1.1 第二代反应经验键序势(REBO)  20-23
    2.1.2 Lennard-Jones 势  23
  2.2 紧束缚势（tight-binding potential）  23-24
  2.3 分子动力学  24-29
    2.3.1 Verlet 算法  26
    2.3.2 Gear 预测-纠正算法  26-28
    2.3.3 Verlet 附近原子列表  28-29
  2.4 分子动力学计算流程  29-30
第三章碳纳米线及其复合材料的拉伸性能研究  30-46
  3.1 碳纳米线的超塑性  30-38
    3.1.1 碳纳米线的结构  30-31
    3.1.2 拉伸过程模拟方法及细节  31-32
    3.1.3 模拟结果及分析  32-38
  3.2 碳纳米线嵌入单壁碳纳米管中的拉伸行为  38-46
    3.2.1 碳纳米线复合材料的结构  38-40
    3.2.2 模拟结果与分析  40-46
第四章 Ni-Al合金纳米线的力学特性  46-52
  4.1 优化的Ni-Al 合金结构  46-48
  4.2 模拟结果及分析  48-52
第五章铜纳米线嵌入碳纳米管中的复合材料的力学特性  52-60
  5.1 模拟方法  52-53
  5.2 模拟结果及分析  53-60
第六章总结与展望  60-62
参考文献  62-66
攻读学位期间发表和待发表的文章及获奖情况  66-67
致谢  67

纳米线及其复合结构的力学行为研究

内容摘要

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