超級碳納米管是在碳納米管結構基礎上,將每一根碳-碳鍵替換為碳納米管而形成的新型結構.類超級碳納米管是超級碳納米管對應的宏觀結構,在保持外觀結構的基礎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.與原結構有限元進行對比,結果表明粗�；椒苡行У挠嬎泐惓壧技{米管的振動行為. 

【文章來源】：固體力學學報. 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

格柵結構包括二維格柵結構如圖1(a)所示,以及三維格柵結構如圖1(b)所示.鑒于二維六邊形胞元結構與石墨烯結構有著一定的相似性,以及二維六邊形胞元結構優(yōu)秀的力學性能,有必要對三維六邊形格柵結構進行分析.本文研究的三維六邊形格柵結構與超級碳納米管有相似的宏觀結構.碳納米管作為一維納米材料,具有許多優(yōu)越的力學和電學性能.超級碳納米管是在碳納米管結構基礎上,將每一根碳-碳鍵替換為碳納米管而形成的新型結構[13,14].Coluci等采用分子動力學方法研究了超級碳納米管在單向拉伸下的力學性質(zhì),表明超級碳納米管可用于開發(fā)新的多孔、柔性和高強度材料[15].Wang等采用有限元法研究了超級石墨烯的力學性能,結果表明超級石墨烯具有很強的柔韌性和優(yōu)異的傳力性能[16].Li等基于分子結構力學方法研究了超級碳納米管的力學性能,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,與超級碳納米管的手性無關[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)與手性之間的關系[18].Liu等采用分子結構力學方法,研究了超級碳納米管的變形和失穩(wěn)問題,分析了參數(shù)對其力學性能的影響,結果表明分子結構力學方法結合碳-碳鍵失效準則是模擬不同手性、不同尺寸碳納米管構成的X、Y節(jié)點變形和失穩(wěn)的有效方法[19].Liu等利用分子結構力學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系[20].Fakhrabadi等利用分子結構力學方法分別研究了完美的和有缺陷的碳納米管的屈曲,并將得到的結果輸入自適應神經(jīng)模糊推理系統(tǒng),對碳納米管的屈曲載荷進行預測,通過一些特殊情況的分析,驗證了預測工具的性能和預測結果的準確性[21].Shi等通過對超級碳納米管結構的分子動力學研究,發(fā)現(xiàn)其具有碳納米管結構所不具備的超大泊松比、極大收縮性等新的性能;結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].原子計算模擬需要龐大的計算量,為了克服這一缺點,Reith等發(fā)展了聚乙烯醇和聚丙烯酸的粗晶力場,并把模擬結果與實驗數(shù)據(jù)進行比較,驗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、體積小且機械共振頻率高,在諧振器領域有著廣泛的應用前景,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)絡的動力學行為,通過將粗晶模型與原分子結構力學模型固有頻率進行比較,驗證了此種粗晶法研究超級石墨烯網(wǎng)絡動力學行為的有效性[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參數(shù)而保留其微觀結構而形成的宏觀實體.考慮到在碳納米管基礎上,將每一根碳-碳鍵替換為碳納米管這一過程的復雜性,借鑒石墨烯卷曲成碳納米管的過程,構建類超級碳納米管.圖2(a)所示超級石墨烯是在石墨烯結構基礎上,將每一根碳-碳鍵替換為碳納米管而形成的新型結構.在分子建模軟件中通過連接碳納米管,構建超級石墨烯,然后提取超級石墨烯原子坐標點集,并將其卷曲為超級碳納米管.為得到最佳構型,將得到的超級碳納米管在分子動力學軟件中采用能量最小化法進行優(yōu)化.最后提取優(yōu)化后的超級碳納米管的原子坐標點集,將尺寸放大到毫米量級,將放大的坐標點集導入到實體三維建模軟件,構建最終的類超級碳納米管模型.類超級碳納米管構形取決于構成此種結構的類碳納米管的半徑與長度以及自身結構的半徑與長度,將由(6,0)型類碳納米管構成的(3,3)型類超級碳納米管記為ISCNT[3,3]@(6,0).


本文編號：3324812