【摘要】：大直徑單壁碳納米管受到外壓和彎曲時(shí)會(huì)發(fā)生不同程度的坍塌,本文提出將單壁碳納米管作為儲(chǔ)氦容器,通過調(diào)節(jié)儲(chǔ)氦率將實(shí)現(xiàn)碳納米管坍塌構(gòu)形的控制。本文針對(duì)儲(chǔ)氦大直徑單壁碳納米管坍塌機(jī)理、坍塌過程、坍塌臨界狀態(tài)等行為與儲(chǔ)氦率的關(guān)系,進(jìn)行了分子動(dòng)力學(xué)及理論模型研究。建立了單壁碳納米管內(nèi)儲(chǔ)氦理論模型,包括單壁碳納米管在連續(xù)薄殼假設(shè)下的連續(xù)介質(zhì)模型、采用最密堆疊假設(shè)的氦原子模型和碳納米管與氦原子相互作用模型。理論模型與分子動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果一致,可以有效的得到儲(chǔ)氦單壁碳納米管半徑變化、氦原子平均間距、碳納米管與氦原子間距等構(gòu)形參數(shù)與氦原子個(gè)數(shù)的關(guān)系。定義了描述單壁碳納米管內(nèi)氦原子個(gè)數(shù)的儲(chǔ)氦率,預(yù)報(bào)了管壁張力,在理論模型的基礎(chǔ)上,給出了單壁碳納米管發(fā)生破壞的儲(chǔ)氦極限。采用分子動(dòng)力學(xué)模擬得到了單壁碳納米管坍塌的全過程,研究了坍塌行為與勢(shì)能之間的關(guān)系,得到了單壁碳納米管坍塌穩(wěn)態(tài)隨著半徑的分布。在此基礎(chǔ)上向單壁碳納米管內(nèi)儲(chǔ)氦,得到了不同儲(chǔ)氦率下單壁碳納米管坍塌構(gòu)形,對(duì)單壁碳納米管坍塌的最終構(gòu)形進(jìn)行了區(qū)分,分別為啞鈴型和花生型,定義了啞鈴型向花生型轉(zhuǎn)變的臨界儲(chǔ)氦率和抑制碳納米管坍塌的最小儲(chǔ)氦率。考慮單壁碳納米管與氦原子團(tuán)簇之間的范德華能作用,建立了單壁碳納米管儲(chǔ)氦抑制坍塌行為的理論模型,從而得到儲(chǔ)氦抑制碳納米管坍塌的判據(jù),實(shí)現(xiàn)了對(duì)于抑制碳納米管坍塌的最小儲(chǔ)氦率的初步預(yù)報(bào)。為評(píng)價(jià)不同儲(chǔ)氦率下圓截面單壁碳納米管和坍塌單壁碳納米管的力學(xué)性能,設(shè)計(jì)了兩種工況分別對(duì)圓截面形式碳納米管和坍塌構(gòu)形碳納米管進(jìn)行了位移載荷分析和Mises應(yīng)力分析,得到了不同儲(chǔ)氦率下碳納米管的力學(xué)響應(yīng)和破壞過程。對(duì)于坍塌碳納米管的力學(xué)性能分析中,定義等效剛度比較了不同坍塌構(gòu)形碳納米管的抗彎性能。儲(chǔ)氦對(duì)于這兩種碳納米管均有增強(qiáng)作用,然而其增強(qiáng)機(jī)理不同。此外,探討了溫度對(duì)碳納米管的行為控制,對(duì)碳納米管的熱泳行為的規(guī)律進(jìn)行了研究。通過儲(chǔ)氦實(shí)現(xiàn)了對(duì)大直徑單壁碳納米管坍塌的調(diào)控,大直徑坍塌單壁碳納米管隨著儲(chǔ)氦率的增大,構(gòu)形發(fā)生轉(zhuǎn)變,抗彎性能得到增強(qiáng)。向單壁碳納米管內(nèi)儲(chǔ)氦抑制坍塌,這給予大直徑碳納米管的材料制備和理論研究提供了新的思路,具有廣闊的應(yīng)用前景。
【圖文】：

極好的力學(xué)及電學(xué)性能，在不同的領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。碳納米管是富勒烯結(jié)構(gòu)族成員（圖1-1），直徑在零點(diǎn)幾納米到幾十納米之間，長(zhǎng)度從幾十納米到微米級(jí)，甚至長(zhǎng)達(dá)毫米級(jí)[2]，，多層碳納米管的相鄰兩層間距約為 0.34nm。石墨烯與碳納米管作為納米材料，在超輕材料應(yīng)用領(lǐng)域一直是研究熱點(diǎn)[38]-[42]。碳納米管可看作是由一層或多層石墨烯卷曲而成，根據(jù)卷曲角度的不同，可以按手性分為扶手椅型、鋸齒型和螺旋型（圖 1-2）。碳納米管根據(jù)層數(shù)可將分為單壁碳納米管（single-walled carbon nanotubes，SWCNTs）及多壁碳納米管（multi-walledcarbon nanotubes, MWCNTs），如圖 1-3 所示。圖 1-1 碳的同素異形體

碳納米管的手性
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TQ127.11;TB383.1

【參考文獻(xiàn)】

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1 Zhi-De Han;Cui-Cui Ling;Qi-Kai Guo;Hai-Peng Lu;Hong-Guang Sui;Jiao-Jian Yin;Long-Jiang Deng;;Influence of filling atoms on radial collapse and elasticity of carbon nanotubes under hydrostatic pressure[J];Science Bulletin;2015年17期

本文編號(hào)：2658241