超級碳納米管是在碳納米管結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,將每一根碳-碳鍵替換為碳納米管而形成的新型結(jié)構(gòu).類超級碳納米管是超級碳納米管對應(yīng)的宏觀結(jié)構(gòu),在保持外觀結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上將尺度放大到宏觀尺度.論文建立了類超級碳納米管的粗�；Ｐ�.基于粗�；椒�,研究了類超級碳納米管的自由振動.分析了內(nèi)外管半徑以及長度對類超級碳納米管振動行為的影響.與原結(jié)構(gòu)有限元進(jìn)行對比,結(jié)果表明粗�；椒苡行У挠�(jì)算類超級碳納米管的振動行為. 

【文章來源】：固體力學(xué)學(xué)報(bào). 2020,41(04)北大核心CSCD

【文章頁數(shù)】：10 頁

【部分圖文】：

ISCNT[4,4]@(6,6)及其粗�；Ｐ鸵浑A固有

格柵結(jié)構(gòu)包括二維格柵結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示,以及三維格柵結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示.鑒于二維六邊形胞元結(jié)構(gòu)與石墨烯結(jié)構(gòu)有著一定的相似性,以及二維六邊形胞元結(jié)構(gòu)優(yōu)秀的力學(xué)性能,有必要對三維六邊形格柵結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析.本文研究的三維六邊形格柵結(jié)構(gòu)與超級碳納米管有相似的宏觀結(jié)構(gòu).碳納米管作為一維納米材料,具有許多優(yōu)越的力學(xué)和電學(xué)性能.超級碳納米管是在碳納米管結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,將每一根碳-碳鍵替換為碳納米管而形成的新型結(jié)構(gòu)[13,14].Coluci等采用分子動力學(xué)方法研究了超級碳納米管在單向拉伸下的力學(xué)性質(zhì),表明超級碳納米管可用于開發(fā)新的多孔、柔性和高強(qiáng)度材料[15].Wang等采用有限元法研究了超級石墨烯的力學(xué)性能,結(jié)果表明超級石墨烯具有很強(qiáng)的柔韌性和優(yōu)異的傳力性能[16].Li等基于分子結(jié)構(gòu)力學(xué)方法研究了超級碳納米管的力學(xué)性能,發(fā)現(xiàn)超級碳納米管的楊氏模量和剪切模量與碳納米管的長徑比有關(guān),與超級碳納米管的手性無關(guān)[17].Papanikos基于連續(xù)介質(zhì)方法提出了等效梁理論,得到了扶手椅型和鋸齒形碳納米管等效梁參數(shù)與手性之間的關(guān)系[18].Liu等采用分子結(jié)構(gòu)力學(xué)方法,研究了超級碳納米管的變形和失穩(wěn)問題,分析了參數(shù)對其力學(xué)性能的影響,結(jié)果表明分子結(jié)構(gòu)力學(xué)方法結(jié)合碳-碳鍵失效準(zhǔn)則是模擬不同手性、不同尺寸碳納米管構(gòu)成的X、Y節(jié)點(diǎn)變形和失穩(wěn)的有效方法[19].Liu等利用分子結(jié)構(gòu)力學(xué)方法研究了超級碳納米管的軸向拉伸問題,給出了超級碳納米管的楊氏模量和泊松比與超級碳納米管管型及長度的關(guān)系[20].Fakhrabadi等利用分子結(jié)構(gòu)力學(xué)方法分別研究了完美的和有缺陷的碳納米管的屈曲,并將得到的結(jié)果輸入自適應(yīng)神經(jīng)模糊推理系統(tǒng),對碳納米管的屈曲載荷進(jìn)行預(yù)測,通過一些特殊情況的分析,驗(yàn)證了預(yù)測工具的性能和預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性[21].Shi等通過對超級碳納米管結(jié)構(gòu)的分子動力學(xué)研究,發(fā)現(xiàn)其具有碳納米管結(jié)構(gòu)所不具備的超大泊松比、極大收縮性等新的性能;結(jié)果表明給定超級碳納米管直徑情況下,可以通過增加碳納米管的長度和特定的手性提高超級碳納米管的收縮性能[22].原子計(jì)算模擬需要龐大的計(jì)算量,為了克服這一缺點(diǎn),Reith等發(fā)展了聚乙烯醇和聚丙烯酸的粗晶力場,并把模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,驗(yàn)證了粗晶力場的有效性[23].Zhao等發(fā)展了單壁碳納米管的粗晶勢,得到了碳納米管的粗晶拉伸、彎曲和扭轉(zhuǎn)勢的顯式表達(dá)式;研究了單根碳納米管、平行碳納米管和交叉碳納米管的靜態(tài)行為和動態(tài)行為[24].石墨烯是用來制作納米器件的理想材料,因其質(zhì)量輕、體積小且機(jī)械共振頻率高,在諧振器領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景,Wang和Hu研究了圓形石墨烯的熱振動問題[25].Gu等采用一種基于梁單元的粗晶模型,研究了全邊界固支的超級石墨烯網(wǎng)絡(luò)的動力學(xué)行為,通過將粗晶模型與原分子結(jié)構(gòu)力學(xué)模型固有頻率進(jìn)行比較,驗(yàn)證了此種粗晶法研究超級石墨烯網(wǎng)絡(luò)動力學(xué)行為的有效性[26].

圖2(b)所示的類超級碳納米管是由超級碳納米管改變尺度和力學(xué)參數(shù)而保留其微觀結(jié)構(gòu)而形成的宏觀實(shí)體.考慮到在碳納米管基礎(chǔ)上,將每一根碳-碳鍵替換為碳納米管這一過程的復(fù)雜性,借鑒石墨烯卷曲成碳納米管的過程,構(gòu)建類超級碳納米管.圖2(a)所示超級石墨烯是在石墨烯結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,將每一根碳-碳鍵替換為碳納米管而形成的新型結(jié)構(gòu).在分子建模軟件中通過連接碳納米管,構(gòu)建超級石墨烯,然后提取超級石墨烯原子坐標(biāo)點(diǎn)集,并將其卷曲為超級碳納米管.為得到最佳構(gòu)型,將得到的超級碳納米管在分子動力學(xué)軟件中采用能量最小化法進(jìn)行優(yōu)化.最后提取優(yōu)化后的超級碳納米管的原子坐標(biāo)點(diǎn)集,將尺寸放大到毫米量級,將放大的坐標(biāo)點(diǎn)集導(dǎo)入到實(shí)體三維建模軟件,構(gòu)建最終的類超級碳納米管模型.類超級碳納米管構(gòu)形取決于構(gòu)成此種結(jié)構(gòu)的類碳納米管的半徑與長度以及自身結(jié)構(gòu)的半徑與長度,將由(6,0)型類碳納米管構(gòu)成的(3,3)型類超級碳納米管記為ISCNT[3,3]@(6,0).


本文編號：3324812