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碳纳米管与不同物质表面界面结合的分子动力学模拟研究

作　者: 谢洁
导　师: 薛庆忠
学　校: 中国石油大学
专　业: 材料科学与工程
关键词: 分子动力学模拟 碳纳米管 物质表面 塌陷 化学修饰
分类号: TB383.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


1991年,日本学者饭岛首次利用电子显微镜观察到中空的碳纤维,称为“碳纳米管”,自此,碳纳米管由于其独特的热学、力学、电学、光学等性质引起了国内外大量研究者的研究热潮及近十年来碳纳米管科学与技术的飞速发展。近几年来,许多实验研究表明添加少量的碳纳米管到金属基体中可显著增强金属基复合材料的弹性模量和硬度。在碳纳米管增强金属基复合材料中,实验研究碳纳米管与物质表面的微观界面结合机理十分复杂困难,而复合材料的性质很大程度上由碳纳米管与物质表面的界面结合情况所决定,因而,利用分子力学、分子动力学进行计算模拟的方法被越来越广泛的应用到这一领域中来解决这一问题。本文旨在研究碳纳米管与不同物质表面的界面结合过程、机理及其形变问题,研究化学修饰对碳纳米管在不同表面上形变的影响。首先,利用基于COMPASS力场的分子动力学模拟研究了碳纳米管在Al表面上的动力学行为,研究了管半径、长度的影响。动力学模拟研究发现当碳纳米管的直径大于某一临界值时,碳纳米管在Al表面上很容易塌陷,由原来的圆柱形迅速转变为双层石墨带状结构覆盖在Al表面上,碳纳米管半径的影响与之前的研究相似,而长度对其塌陷并不产生影响。动力学模拟发现碳纳米管在不同形态的Ni表面上具有不同的塌陷形态,在Ni表面上的塌陷结构与表面的粗糙度有关,但细微的粗糙度对碳纳米管的塌陷可忽略。碳纳米管在其它表面如Fe、Ni、石墨表面上也能完全塌陷,而对于Si表面,碳纳米管并不能完全塌陷,仅有略微的变形,这可能与各种表面的金属性有关,研究推断表面的金属性越强,碳纳米管越容易塌陷。不同直径的碳纳米管在Si表面上的塌陷与其他小组的研究相符合。对于Fe、FeO及Fe2O3表面,发现随着表面氧化程度的加强,碳纳米管的塌陷程度越小,表明碳纳米管的塌陷主要由其与金属原子之间的相互作用力所导致。我们进一步发现化学修饰可增强碳纳米管其圆柱结构在各种物质表面上的结构稳定性。分子动力学模拟研究了不同修饰量下的碳纳米管在Al表面上动力学行为,一定量的化学修饰增强了碳管的结构稳定性,可较好的防止碳纳米管的塌陷,研究也发现,在相同的修饰量下,碳纳米管半径越大、长度越长,防止碳纳米管塌陷所需的化学修饰量越大,反之亦然。以氨基修饰的碳纳米管为例,我们发现,在不同的物质表面上,防止碳纳米管塌陷所需的化学修饰量也不相同,随着修饰量的增大,修饰了的碳纳米管与各种物质表面的结合能都减小。比较了氨基修饰、羧基修饰、羟基修饰及甲基修饰的碳管在Ni表面上防止碳纳米管塌陷的能力,对于四种修饰基团,研究发现氨基、羧基防止碳管塌陷的能力相似且较好,其次为甲基,羟基最差。本文的模拟结果从微观上给碳纳米管增强金属基复合材料的制备、碳纳米管用作纳米容器、储存或传递分子、储氢等提供了理论指导,可以缩短研究周期,降低研究成本。

全文目录


摘要  4-6
Abstract  6-10
第1章 绪论  10-15
  1.1 前言  10
  1.2 碳纳米管的介绍  10-12
    1.2.1 碳纳米管的结构  10-12
    1.2.2 碳纳米管的性质  12
  1.3 研究现状及研究意义  12-13
    1.3.1 碳纳米管与物质表面的界面结合问题  12-13
    1.3.2 碳纳米管的形变问题  13
  1.4 本文的技术路线及研究内容  13-15
第2章 计算机分子模拟方法  15-26
  2.1 计算机模拟的基本原理与方法  15-22
    2.1.1 牛顿运动方程  15-16
    2.1.2 有限差分法  16-18
    2.1.3 势函数  18-20
    2.1.4 平衡系综分子动力学模拟的系综  20
    2.1.5 分子动力学模拟的基本步骤  20-22
  2.2 计算机模拟软件介绍及应力场的选择  22-26
    2.2.1 计算机模拟软件介绍  22-24
    2.2.2 应力场的选择  24-26
第3章 碳纳米管与不同物质表面的界面结合情况  26-40
  3.1 前言  26
  3.2 模型构建与模拟方法  26-28
    3.2.1 模型的构建  26-28
    3.2.2 模拟方法  28
  3.3 计算结果与讨论  28-39
    3.3.1 单壁碳纳米管在Al表面上的塌陷  28-34
    3.3.2 碳纳米管在其它物质表面的塌陷情况  34-39
  3.4 本章小结  39-40
第4章 化学修饰对碳纳米管与物质表面界面结合的影响  40-50
  4.1 前言  40
  4.2 模型的构建及模拟方法  40
    4.2.1 模型的构建  40
    4.2.2 模拟方法  40
  4.3 计算结果与讨论  40-49
    4.3.1 氨基修饰的碳纳米管在Al表面上的塌陷  40-44
    4.3.2 氨基修饰碳纳米管在Fe、Ni、石墨和Si表面的塌陷情况  44-47
    4.3.3 羟基、甲基、氨基和羧基修饰的碳纳米管与Ni表面界面结合情况的对比  47-49
  4.4 本章小结  49-50
结论  50-52
参考文献  52-58
攻读硕士学位期间取得的学术成果  58-60
致谢  60

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中图分类: > 工业技术 > 一般工业技术 > 工程材料学 > 特种结构材料
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