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碳纳米管扭转引起的力学耦合效应研究

作　者: 李伟红
导　师: 罗成林
学　校: 南京师范大学
专　业: 凝聚态物理
关键词: 经典分子动力学碳纳米管扭转力学行为
分类号:
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

近年来,碳纳米管由于其独特的力学性能和电学性能受到越来越多的关注,其独特的力学、电学性能使其可构成独特的纳米电子力学系统(NEMS)。碳纳米管被用作纳米谐振器、扭转参数振荡器调谐轴向预应力和静电作用力的想法也被提出。在这些应用中,碳纳米管扭转力学行为对纳米电子力学系统极其重要。本论文利用经典分子动力学的模拟方法,模拟分析了单壁碳纳米管、双壁碳纳米管的扭转力学行为。取得了一些有意义的结果,主要有：(1)不同口径碳管所受力矩与扭转角或切应变的变化趋势完全一致,碳管进行扭转的起始阶段,即小切切应变时,力矩丁和扭转角度θ或切应变之间呈线性关系。碳管口径越小,扭转时所需扭矩单调降低,表明口径小的碳管扭转刚度较小,但其能保持弹性形变的切应变极限越大。(2)所有碳管均存在弹性失稳点(buckling point),当扭转角超过其buckling点后,曲线斜率变小,结构发生相变,碳管的扭转刚度降低。(3)在碳管发生buckling形变之后,锯齿型碳管与扶手型碳管的力矩与扭转角关系有显著差异,表明碳管结构对碳管发生buckling形变之后的力学行为有重要影响,这种发生在buckling形变之后的力学特性的显著差异,可以作为检测碳管类型的一种有效手段。(4)碳管结构决定扭转时碳管轴向应力的方向,扶手性碳管扭转时轴向应力向内,碳管趋于缩短,而锯齿型碳管轴向引力向外,碳管趋于伸长。(5)轴向应力向外的碳管(如锯齿型管)在大于一定长度后,扭转时会通过弯曲逐渐释放应力,碳管口径越大,所需长度越长。这种大于一定管长才会出现的扭致弯曲现象,对基于碳纳米管的功能器件如扭转摆的设计有重要意义。轴向应力向内的碳管(如扶手型管)在扭转过程中则不可能弯曲。(6)双壁碳管是否出现扭致弯曲现象完全决定于外管的轴向应力响应特性,与内管类型无关。如果外管轴向应力方向向外,则可出现扭致弯曲现象。相对于单壁管,双壁碳管在更短的尺度上就可以出现扭致弯曲,这种扭致弯曲加速效应完全由内管的轴向应力驱动,虽然内管轴向应力的方向可不同,但不改变双壁碳管扭致弯曲的结果。这些结果可以为基于碳纳米管的纳米功能器件的设计和制备提供有益的参考。

全文目录

目录  3-5
摘要  5-6
Abstract  6-8
第一章引言  8-11
  参考文献  10-11
第二章经典分子动力学基本原理  11-20
  2.1 分子动力学  11-14
    2.1.1 力场的描述  11-12
    2.1.2 AIREBO势函数  12-14
  2.2 分子最低能量构象的方法  14-15
    2.2.1 最速下降法  14-15
    2.2.2 共轭梯度法  15
  2.3 分子动力学模拟原理  15-17
    2.3.1 分子动力学的基本原理  15-16
    2.3.2 牛顿运动方程的数值解法  16-17
  2.4 (N,V,T)系综的分子动力学计算方法  17-19
  参考文献  19-20
第三章碳纳米管的结构  20-24
  3.1 单壁碳纳米管的结构  20-21
  3.2 多壁碳纳米管的结构  21-22
  3.3 其他碳管的结构  22
  3.4 碳纳米管的力学性质  22-23
  参考文献  23-24
第四章碳纳米管扭转的力学行为  24-41
  4.1 计算模型  24
  4.2 锯齿型单壁碳纳米管的扭转力学行为  24-27
    4.2.1 扭矩与扭转角及切应变的关系  24-26
    4.2.2 轴向力与扭转角及切应变的关系  26-27
  4.3 扶手椅型单壁碳管的扭转力学特性  27-28
  4.4 碳纳米管长度对扭转行为力学特性的影响  28-33
  4.5 双壁碳纳米管的扭转力学行为  33-38
    4.5.1 碳管力矩与扭转角度之间的关系  34-35
    4.5.2 轴向应力与扭转角度的关系  35-36
    4.5.3 双壁碳管的扭致弯曲现象  36-38
  4.6 结论  38-40
  参考文献  40-41
待发表的论文  41-42
致谢  42

碳纳米管扭转引起的力学耦合效应研究

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