【摘要】：碳納米管在建筑和土木工程領域有廣泛的應用潛力,尤其可以對建筑材料的力學性能、保溫性能等起到明顯的提升作用。這些應用前景都得益于碳納米管優(yōu)異的力學性能。充分理解這些優(yōu)異性能的物理機制對碳納米管的實際應用有著重要的指導作用。由于碳納米管的納米尺度實驗研究很難開展,而分子動力學方法在原子尺度上可以較為精確描述碳納米管的力學特性,同時可以考慮溫度、缺陷濃度、直徑以及加載條件等對碳納米管力學性質的影響,是研究納米材料的理想方法。本文以單壁純凈碳納米管和缺陷碳納米管為研究對象,通過分子動力學模擬研究了碳納米管在軸向拉伸下的強度尺寸效應以及溫度、缺陷、直徑等因素對尺寸效應的影響規(guī)律。通過分子動力學模擬,分析了純凈碳納米管拉伸斷裂的應力-應變曲線,系統(tǒng)地研究了溫度變化對碳納米管極限應變的影響。分析表明溫度越高,碳納米管極限應變越小,越容易被拉斷。針對固定長度的純凈碳納米管進行拉伸斷裂應變統(tǒng)計,畫出斷裂應變分布圖,擬合得到符合Weibull統(tǒng)計強度理論。隨后用分子動力學模擬了碳納米管軸向的斷裂應變與長度的關系,發(fā)現(xiàn)有限溫度下純凈碳納米管也體現(xiàn)出了尺寸效應。由于一般認為尺寸效應來自于材料中存在的缺陷,而本文在純凈碳納米管中發(fā)現(xiàn)的尺寸效應來自于原子的隨機熱運動,因此是一種由“動態(tài)無序”導致的全新的強度尺寸效應。本文系統(tǒng)地研究了缺陷碳納米管的拉伸強度尺寸效應。采用分子動力學方法,對缺陷碳納米管進行拉伸斷裂模擬得出應力—應變曲線,研究發(fā)現(xiàn)缺陷碳管的斷裂應變明顯比純凈碳管小。對固定長度缺陷碳納米管的斷裂應變進行數(shù)值模擬,擬合其斷裂應變的統(tǒng)計分布發(fā)現(xiàn)非常符合Weibull強度統(tǒng)計理論的預言。進一步模擬了不同長度的缺陷碳納米管的斷裂應變,其碳納米管強度尺寸效應符合Weibull統(tǒng)計理論,這也說明了,Weibull理論是適用于討論缺陷碳納米管的力學強度性質的。本文也依次模擬了缺陷濃度和溫度對尺寸效應的作用,總體來說影響較弱。本文也模擬了直徑對缺陷碳納米管拉伸強度尺寸效應的影響,研究發(fā)現(xiàn)隨著直徑的增加,缺陷對斷裂應變的減小作用逐漸變?nèi)�。本文的研究加深對碳納米管力學性能的尺寸效應規(guī)律的理解,明確Weibull統(tǒng)計強度理論適用于分析碳納米管的尺寸效應,并提出了納觀尺寸效應的“動態(tài)無序”新機制。充分理解這些現(xiàn)象背后的物理機制對碳納米管在土木工程領域的實際應用有著重要的指導作用,而其中“動態(tài)無序”的尺寸效應機制或許對研究土木工程中所涉及的動態(tài)加載下的結構穩(wěn)定性問題有借鑒作用。
【圖文】：

圖 1.1 (a) 碳管指標的定義 (b) (4 ,2)碳管1.1 (a) Definition of carbon tube index (b) (4, 2) Carbo的力學性質面，大多通過分子動力學模擬來研究其力學性圍下的碳納米管的力學行為。Overney 等[52]最早一原理參數(shù)出發(fā)計算了(5,5)碳納米管原子數(shù)分(E)及對應結構剛度。Dresselhaus 等[53]在石墨的基礎上，使用了連續(xù)介質理論模型，推導[54]通過分子動力學模擬了碳—碳鍵長和鍵角縮能、鍵角的變換能，得到了鋸齒型和扶手椅型。Yao 等[55]采用不同的勢函數(shù)模型的分子動力學動力學的模擬包括了拉伸、扭轉、彎曲，，模型，碳管的半徑和螺旋角與楊氏模量有一定的關

圖 2.1 純凈碳管拉伸強度的應力-應變曲線. 2.1 Stress-strain curves of the tensile strength of pristine carbon了(8,8)單壁碳納米管在軸向拉伸過程中原子結構的變a 為碳管拉伸過程動畫圖，即為上圖的 a 點；碳納米納米管向軸向擴張，其橫向截面呈圓形，六邊形碳原不斷增加，碳—碳鍵沿軸向拉長，碳管向兩側延伸漸 a 中尚未出現(xiàn)任何健的斷裂和缺陷的產(chǎn)生。b 為碳管為圖 2.1 中 b 點；當軸向拉伸應變達到一定程度，結的 b 中可清楚的看出某處的碳—碳鍵先發(fā)生斷裂，然擴大形成更大范圍的缺陷，沿著碳納米管的橫向和畫圖可以看出，繼續(xù)加載的碳管并未完全斷開，而是碳原子相連，即為上圖的 c 點。d 圖為碳管完全斷裂 2 斷，其應變迅速下降，此時碳納米管完全失效。
【學位授予單位】：紹興文理學院
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TQ127.11;TB383.1

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本文編號：2660167