發(fā)布時(shí)間：2020-06-15 14:24

【摘要】：碳納米材料以其獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu),優(yōu)異的各項(xiàng)性能以及在微納機(jī)電系統(tǒng)等領(lǐng)域中巨大的應(yīng)用前景,引起了人們廣泛的關(guān)注。調(diào)控碳納米材料的各項(xiàng)性能,擴(kuò)大其應(yīng)用范圍,滿足新的應(yīng)用需求一直是碳納米材料領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。特別地,有效地調(diào)控碳納米材料的力學(xué)性能和導(dǎo)熱性能對(duì)于碳納米材料在柔性電子器件、能源轉(zhuǎn)換、防護(hù)結(jié)構(gòu)和復(fù)合材料性能增強(qiáng)等方面的應(yīng)用有著重要的意義。研究表明可以通過缺陷工程、官能化改性、填充等方式調(diào)控碳納米材料的力學(xué)性能和導(dǎo)熱性能。本文通過分子動(dòng)力學(xué)方法和機(jī)器學(xué)習(xí)方法進(jìn)一步對(duì)調(diào)控碳納米材料的力熱性能進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)氧化作用、褶皺程度、富勒烯填充作用和納米結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等因素對(duì)碳納米材料的力熱性能有著重要影響,主要內(nèi)容如下:(1)研究了氧化作用對(duì)石墨烯泊松比的影響,揭示了去褶皺效應(yīng)是導(dǎo)致石墨烯產(chǎn)生負(fù)泊松比現(xiàn)象的原因,為調(diào)控石墨烯的泊松比提供了新的策略。具體如下:我們計(jì)算了具有不同氧化濃度的石墨烯的泊松比,目的在于尋找泊松比與氧化濃度之間的關(guān)系。結(jié)果表明,石墨烯的泊松比隨氧化濃度p∈[0,1.0]的增加而近似線性減小;當(dāng)氧化濃度p=0.27時(shí),石墨烯的泊松比由正轉(zhuǎn)為負(fù)值;當(dāng)石墨烯完全氧化即p=1.0時(shí),泊松比達(dá)到最小值-0.567。氧化作用使石墨烯泊松比減小的原因是氧化作用產(chǎn)生的褶皺在拉伸過程中會(huì)被展平而在垂直于拉伸方向發(fā)生膨脹,即去褶皺效應(yīng)。我們還研究了不同氧化濃度下溫度對(duì)石墨烯泊松比的影響。(2)研究了褶皺程度對(duì)褶皺石墨烯穩(wěn)定性的影響,揭示了臨界褶皺程度與自吸附現(xiàn)象密切相關(guān),為獲得具有穩(wěn)定性的褶皺石墨烯提供了理論參考。具體如下:我們模擬了石墨烯在靜水壓縮作用下和雙軸壓縮作用下的褶皺過程。結(jié)果表明,靜水壓縮作用下和雙軸壓縮作用下褶皺石墨烯的臨界褶皺程度分別約為0.5和0.55,當(dāng)褶皺程度高于臨界褶皺程度時(shí),去掉外力后,褶皺石墨烯不能回到初始的平面狀態(tài),即褶皺石墨烯具有穩(wěn)定性。臨界褶皺程度與自吸附現(xiàn)象密切相關(guān),而自吸附現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致吸附能急劇下降�；谄胶鈴澢芘c吸附能競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系的解析模型給出的臨界褶皺程度與分子動(dòng)力學(xué)模擬的結(jié)果相吻合。(3)研究了富勒烯填充作用對(duì)碳納米管熱導(dǎo)率的影響,揭示了富勒烯與碳納米管之間的相互作用是影響碳納米管熱導(dǎo)率的主要因素,為調(diào)控碳納米管的熱導(dǎo)率提供了新的手段。具體如下:我們計(jì)算了不同管徑的碳納米管在填充富勒烯后的熱導(dǎo)率。結(jié)果表明,當(dāng)n=8和9時(shí),即碳納米管管徑較小時(shí),富勒烯填充作用會(huì)顯著降低碳納米管(n,n)的熱導(dǎo)率,這是因?yàn)樘技{米管和富勒烯之間強(qiáng)烈的相互作用會(huì)引起聲子-聲子散射的增加和聲速的下降。與之相反,當(dāng)n=10和11時(shí),即碳納米管管徑較大時(shí),富勒烯填充作用會(huì)輕微增加碳納米管(n,n)的熱導(dǎo)率,這是因?yàn)楦焕障┡c碳納米管之間的相互作用較弱,填充在碳納米內(nèi)部的富勒烯不會(huì)引起明顯的聲子-聲子散射的增加或聲速的下降,相反,富勒烯提供了 一個(gè)額外的傳熱通道。我們的模擬工作可以幫助解釋以往的理論研究結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間的差異。(4)運(yùn)用機(jī)器學(xué)習(xí)方法反向設(shè)計(jì)了多孔石墨烯高熱阻結(jié)構(gòu),揭示了卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以基于少量數(shù)據(jù)快速有效地提取使多孔石墨烯熱阻增大的孔洞排布特征,為機(jī)器學(xué)習(xí)方法在納米結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用及調(diào)控多孔石墨烯的熱導(dǎo)率提供了新的思路。具體如下:我們測(cè)試了不同的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型在預(yù)測(cè)多孔石墨烯熱導(dǎo)率上的表現(xiàn),結(jié)果表明一個(gè)具有三個(gè)卷積層和一個(gè)全連接層的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以有效提取多孔石墨烯的特征,并對(duì)其熱導(dǎo)率作出較為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)(與分子動(dòng)力學(xué)結(jié)果相比)。運(yùn)用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型搜索算法在小規(guī)模樣本空間的體系上的反向設(shè)計(jì)結(jié)果表明:卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基于少量數(shù)據(jù)即可找到多孔石墨烯熱阻最大的結(jié)構(gòu)。卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型在大規(guī)模樣本空間的體系上的反向設(shè)計(jì)結(jié)果表明孔洞呈列狀垂直于熱流方向分散布置是增大石墨烯熱阻的主要特征。我們關(guān)于氧化作用、褶皺程度、富勒烯填充作用和納米結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等因素對(duì)碳納米材料力熱性能影響的研究結(jié)果,不僅為調(diào)控碳納米材料的力熱性能提供了新的策略,而且成功將卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法應(yīng)用在多孔石墨烯的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,為孔洞納米結(jié)構(gòu)的研究提供了一個(gè)新的手段和思路。
【學(xué)位授予單位】：上海大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TQ127.11;TB383.1
【圖文】：

式會(huì)得到不同類型和管徑的碳納米管。Ｄｒｅｓｓｅｌｈａｕｓ等人在１９９５年發(fā)表的文章逡逑中提出了一種碳納米管的定義方法［２３］，該方法至今仍被廣泛采用，具體定義逡逑如下，如圖１．２所示，首先定義碳六元環(huán)內(nèi)夾角為６０°的兩個(gè)單位向量Qi和逡逑必，其中向量的長(zhǎng)度卜１｜和｜石｜均為＼／＾0，ａ為碳－碳鍵長(zhǎng)，與石墨煉鍵長(zhǎng)一致，逡逑為ａ邋＝邋１．４２邋Ａ。其次定義兩個(gè)非負(fù)整數(shù)ｎ和ｍ，且ｎ邋＞邋ｍ，并構(gòu)造卷曲向量逡逑Ｔ邋＝邋ｍＴ；邋＋邋ｍｒｆ２，石墨稀沿卷曲向量卷曲得到的碳納米管標(biāo)記為（７１，邋７〃，），例如逡逑圖１．２中，沿卷曲向量Ｃ卷曲時(shí)會(huì)得到碳納米管（６，邋３）。碳納米管依照軸向單逡逑元特征可以分為三種類型：扶手椅形碳納米管（Ａｒｍｃｈａｉｒ邋ｆｏｒｍ），鋸齒形碳納米逡逑管（Ｚｉｇｚａｇ邋ｆｏｒｍ）和手性形碳納米管（Ｃｈｉｒａｌ邋ｆｏｒｍ）。這三種類型的碳納米管與卷曲逡逑向量存在著對(duì)應(yīng)關(guān)系，當(dāng)ｎ邋＝邋ｍ時(shí)，卷曲構(gòu)造的碳納米管為扶手椅形，當(dāng)ｍ邋＝逡逑0時(shí)

邐．．ｉ．邋？）？？？＊？：？？？金身逡逑，％ｍ逡逑圖１．１石墨稀：石墨材料的基本單兀［２２］。逡逑長(zhǎng)相比，兩個(gè)相鄰六角環(huán)所共用的碳碳鍵較短，鍵長(zhǎng)為１．３８邋Ａ；五元環(huán)和六元逡逑環(huán)共用的碳碳鍵較長(zhǎng)，鍵長(zhǎng)為１．４５入。逡逑碳納米管在幾何結(jié)構(gòu)上被認(rèn)為是通過卷曲石墨烯得到的，但不同的卷曲方逡逑式會(huì)得到不同類型和管徑的碳納米管。Ｄｒｅｓｓｅｌｈａｕｓ等人在１９９５年發(fā)表的文章逡逑中提出了一種碳納米管的定義方法［２３］，該方法至今仍被廣泛采用，具體定義逡逑如下，如圖１．２所示，首先定義碳六元環(huán)內(nèi)夾角為６０°的兩個(gè)單位向量Qi和逡逑必，其中向量的長(zhǎng)度卜１｜和｜石｜均為＼／＾0，ａ為碳－碳鍵長(zhǎng)，與石墨煉鍵長(zhǎng)一致，逡逑為ａ邋＝邋１．４２邋Ａ。其次定義兩個(gè)非負(fù)整數(shù)ｎ和ｍ，且ｎ邋＞邋ｍ，并構(gòu)造卷曲向量逡逑Ｔ邋＝邋ｍＴ；邋＋邋ｍｒｆ２

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本文編號(hào)：2714543