学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

低维结构和器件的物理力学耦合研究

作　者: 郭宇锋
导　师: 郭万林；高华建
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 一般力学与力学基础
关键词: 碳纳米管 铜纳米线 量子力学 分子动力学 耦合特性 结构相变 可控手性 缺陷自修复
分类号: O482
类　型: 博士论文
年　份: 2005年
下　载: 320次
引　用: 0次
阅　读: 论文下载
 

内容摘要


在纳米尺度,许多物质和材料都具有非常奇特的物理、化学、力学性能和规律,而根据这些特性制成的各类纳米器件和结构拥有非常广阔的应用前景。本文使用以量子力学为基础的密度泛函理论、Hartree-Fork从头算理论以及半经验量子力学算法,结合经验的分子动力学模拟和量子分子动力学模拟,并配合连续介质力学建模方法,针对关键纳米材料结构和系统中的碳纳米管力电耦合效应和失效行为、单壁碳纳米管电致伸缩变形、基于碳纳米管振荡器中的能量转换和耗散、铜纳米线在碳纳米管内的结构相变与破坏、多壁碳纳米管各层手性存在的特殊规律和生长方式、以及生物纳米复合材料结构中缺陷的自修复等一系列极为重要的低维结构的物理力学问题进行模拟计算和创新原理设计。在分子物理力学理论研究指导下,利用大规模并行计算模拟和力学理论建模,尝试探索碳纳米管系统中特异的物理力学耦合行为以及纳尺度材料的结构性能和生长机理,并理解生物材料自优化机理,主要有以下一些新的发现:1.纳米机电系统的发展要求智能材料具有大的应变和高功率密度以获得优良的能量转换能力,碳纳米管因其优越的物理力学性能以及对外场(光、电、磁等)的高敏感性很有可能成为满足上述要求的纳智能材料。我们通过基于Roothaan-Hall方程的半经验量子力学计算和量子分子动力学模拟,揭示出机械载荷和电场共同作用下碳纳米管的特殊物理力学耦合行为、电致破坏机理和力电耦合作用对纳米管电学性能的重要影响。然后使用更为精确的Hartree-Fork从头算法和密度泛函理论,发现单壁碳纳米管在沿其轴向的外加电场作用下,碳纳米管的轴向具有超过10%的巨电致伸缩变形,所得到的单位体积功率密度要比已报道的铁电、电致和磁致伸缩材料以及电致驱动聚合物高出近3个量级以上,而单位质量功率密度比其它已知材料高出4个量级以上。2.多壁碳纳米管因其极低的层间相互作用,在纳米轴承和高频纳米振荡器方面有着潜在的应用前景。对于碳纳米管振荡器中存在的能量耗散问题,我们通过纳秒量级的分子动力学模拟,发现双层碳纳米管的层间相互作用和摩擦力是与其手性和结构以及环境温度密切相关的,对于手性匹配的双层碳纳米管振荡器系统,它在振荡中的能量耗散率要明显地大于手性不匹配系统的能量耗散率。手性匹配的双层碳纳米管系统在低温条件下的振荡时间只能持续几个纳秒,而手性不匹配的双层碳纳米管系统在低温条件下振荡时间却能达到几十个纳秒。但在较高温度条件下,系统的能量耗散率显著提高,温度对层间摩擦力的影响会远高于碳纳米管手性造成的差异。

全文目录


摘要  4-6
ABSTRACT  6-17
第一章 绪论  17-28
  1.1 国内外研究现状、水平和发展趋势及研究意义  18-26
  1.2 本文的主要工作和研究内容  26-28
第二章 纳尺度力学研究的理论与方法  28-41
  2.1 量子力学方法  28-31
  2.2 分子动力学方法  31-41
第三章 碳纳米管系统物理力学耦合特性和行为  41-61
  3.1 引言  41-42
  3.2 碳纳米管的力-电耦合行为的量子力学和分子动力学模拟  42-51
  3.3 碳纳米管巨电致伸缩效应  51-60
  3.4 主要结论  60-61
第四章 多壁碳纳米管构成的千兆赫兹(GHZ)振荡器中能量耗散问题  61-68
  4.1 引言  61-62
  4.2 碳纳米管振荡器的分子动力学模拟  62-67
  4.3 主要结论  67-68
第五章 铜纳米线在碳纳米管内结构相变和行为的模拟研究  68-92
  5.1 引言  68-69
  5.2 模拟方法  69-70
  5.3 铜纳米线在单壁碳纳米管内的结构相变  70-76
  5.4 部分受限的铜纳米线在有缺陷的碳纳米管内结构相变  76-86
  5.5 铜纳米线在有缺陷的碳纳米管内的爆炸研究  86-91
  5.6 主要结论  91-92
第六章 能量优化的多壁碳纳米管手性规律  92-113
  6.1 引言  92-93
  6.2 小直径碳纳米管的计算结果和分析  93-103
  6.3 大直径碳纳米管的计算结果和分析  103-106
  6.4 卷曲后的石墨层间最低能量规律  106-112
  6.5 主要结论  112-113
第七章 纳尺度材料中对软硬边界敏感的缺陷自修复特性  113-127
  7.1 引言  113-114
  7.2 铜纳米线晶体缺陷愈合的分子动力学模拟  114-118
  7.3 连续介质力学理论模型  118-121
  7.4 理论结果和讨论  121-123
  7.5 生物复合材料中的缺陷自修复  123-126
  7.6 主要结论  126-127
第八章 全文总结与展望  127-130
参考文献  130-144
致谢  144-145
在学期间的研究成果及发表的学术论文  145

相似论文

  1. 铁基超导材料中的条纹状反铁磁态的自旋波激发,O469
  2. 单向压缩和纳米压痕引起的单晶硅相变研究,TB302.3
  3. 利用第一性原理研究MAlSi（M=Ca，Sr，Ba）在不同压强下的电子性质,O521.2
  4. Fe_(2-x)Y_x(MoO_4)_3材料的结构、相变和吸水性研究,O611.3
  5. 单层石墨烯纳米结构的构造、相变及电子输运性质研究,O613.71
  6. La_（0.67）Ca_（0.33）MnO_3/Sr_2FeMoO_6复合材料的制备和物性及Zn_2SnO_4的高压结构研究,TB383.1
  7. 相变对γ-Al_2O_3烧结行为的影响,TF124.5
  8. 合肥光源直线加速器条带BPM系统的研制,TL53
  9. 层状类钙钛矿有机—无机杂合物（C_nH_（2n+1）NH_3）_2MCl_4系列晶体的合成与结构研究,TB383.4
  10. 磁悬浮转子系统的耦合理论分析及实验研究,TH133.3
  11. 轿车车身低频结构声耦合机理及降噪设计研究,U463.82
  12. 分布式能源系统中能源与环境耦合特性及优化集成模型研究,X322
  13. 冲压焊接离心泵叶轮及蜗壳耦合特性准非定常数值模拟,TH311
  14. 耦合垂直腔面发射激光器的耦合及输出特性研究,TN248
  15. 射频功率HBT自热补偿方法研究,TN322.8
  16. 弱耦合径向磁力轴承工作特性的研究,TH133.3
  17. 飞行模拟器的运动规划与控制,V216.8
  18. 锥形耦合长周期光纤光栅的研究,TN253
  19. 欠驱动步行机器人全局稳定控制算法与耦合特性研究,TP242
  20. 基于船体—设备动力学耦合特性的设备冲击阈值研究,U674.701

中图分类: > 数理科学和化学 > 物理学 > 固体物理学 > 固体性质
© 2012 www.xueweilunwen.com