發(fā)布時間：2021-03-10 06:30

　　碳納米管和石墨烯是近年來納米材料領(lǐng)域的熱點研究對象,碳納米管是一維材料,石墨烯是二維材料,由于它們優(yōu)異的力學(xué),電學(xué)和化學(xué)性能,在材料學(xué)、微納米器件等方向都得到了廣泛的應(yīng)用。由于兩種材料的制造工藝的限制,目前生產(chǎn)的碳納米管和石墨烯往往都含有不同數(shù)量和種類的缺陷,這些缺陷對于碳納米管和石墨烯及其組合器件的性質(zhì)有重要的影響,對于這一部分內(nèi)容的研究也有助于指導(dǎo)其相關(guān)的應(yīng)用,但是目前對于碳納米管和石墨烯缺陷對于其力學(xué)性質(zhì)的影響規(guī)律的研究還不完善。因此本文的研究基于分子動力學(xué)研究的方法,對于不同種類和數(shù)量的缺陷對于碳納米管和石墨烯及其組合納米器件的運(yùn)動影響進(jìn)行了研究,得到其影響規(guī)律,并且在此基礎(chǔ)上,利用其缺陷的影響,設(shè)計了新的石墨烯和碳納米管組合純轉(zhuǎn)動系統(tǒng)。首先,采用雙壁碳納米管平動系統(tǒng)作為研究對象,在其中加入了不同數(shù)量和位置分布的空位缺陷和STW缺陷,在其余條件都相同的情況下,研究缺陷對于系統(tǒng)運(yùn)動的影響。研究發(fā)現(xiàn):缺陷數(shù)量與缺陷對于系統(tǒng)運(yùn)動的影響大小整體上成正比,即隨著缺陷數(shù)量的增加,缺陷對于系統(tǒng)運(yùn)動的影響越大;其中缺陷的不同位置分布對于運(yùn)動也有不同的影響。其次,在分析了缺陷對于納米系統(tǒng)的運(yùn)動影... 

【文章來源】：華南理工大學(xué)廣東省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：72 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

碳納米管手性示意圖：(a)扶手椅型；(b)鋸齒型；(c)手性型

華南理工大學(xué)碩士學(xué)位論文4圖1-2Barreiro等人設(shè)計的基于碳納米管的納米驅(qū)動器[6]Figure1-2Carbonnanotube-basednanodriverdesignedbyBarreiroetal.另外由于碳納米管具有可在納米機(jī)電系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用的優(yōu)異的機(jī)械性能。研究者在設(shè)計制造性能優(yōu)良的納米機(jī)械的過程中通常會利用碳納米管的較高的彈性模量、力學(xué)形變性能以及層間相對較低的范德華效應(yīng)等特點[14]，如以納米材料為基礎(chǔ)的發(fā)電機(jī)[15]和光電器件[16]。碳納米管是納米機(jī)電系統(tǒng)的核心組件，是在納米機(jī)電系統(tǒng)中提供能量和實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化的部件。多壁碳納米管之所以成為構(gòu)建納米機(jī)電系統(tǒng)的最佳材料之一，原因是其具有獨(dú)特的多層嵌套結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)使得其能實現(xiàn)層間靈活的自由轉(zhuǎn)動和滑動。過去的很多研究認(rèn)為，相對容易在納米尺度下提供的能量是電能，因此不少研究者提出了基于電能驅(qū)動的碳納米管器件。但是電能驅(qū)動有控制難度大和能量利用率低等許多缺點，這也導(dǎo)致了器件在實際應(yīng)用時的缺陷。所以最近的研究中，越來越多的科學(xué)家將注意力放再發(fā)現(xiàn)和設(shè)計新的納米驅(qū)動方式，比較熱門的方式有彈性梯度驅(qū)動、濕度梯度驅(qū)動和溫度梯度驅(qū)動等。蔡坤課題組的研究以多壁碳納米管為主要組件設(shè)計了納米變速器和轉(zhuǎn)動振蕩器等器件，對于它們的動力學(xué)行為和性能采用分子動力學(xué)模擬方法進(jìn)行了研究，同時討論了環(huán)境溫度和碳管長度對其性能的影響[17-19]。碳納米管自從問世起即受到整個材料科學(xué)界的關(guān)注，特別是基于碳納米管的納米器件的研究近些年來都屬于材料學(xué)界研究的熱點，這是由于碳納米管具有的優(yōu)異性能，尤其是優(yōu)秀的彈性力學(xué)性能以及穩(wěn)定性，這些性能促使科學(xué)家們對于利用碳納米管構(gòu)建納米器件的更多可能性進(jìn)行更加廣泛的探索研究。此外，由于多壁碳納米的層間摩擦力相對較小，并且具有靈活

華南理工大學(xué)碩士學(xué)位論文6論認(rèn)為類似石墨烯這樣的二維晶體無法穩(wěn)定并且獨(dú)立地存在，這一實驗結(jié)果也為反駁這個觀點提供了證據(jù)，證明了在環(huán)境中二維晶體石墨烯可以獨(dú)立穩(wěn)定地存在，這一結(jié)果也為包括石墨烯在內(nèi)的為二維納米材料提供了更多理論研究和實際應(yīng)用上的可能性，由此以后，石墨烯在短時間內(nèi)得到了該研究領(lǐng)域內(nèi)很多科學(xué)家熱衷研究的對象。如圖1-3所示，通過裁剪或堆疊、卷曲石墨烯等方法可以獲得其他基于碳的同素異形體，如碳納米管、石墨和富勒烯等[30]。之前的理論計算得出石墨烯的楊氏模量大約為1TPa,強(qiáng)度則超過130GPa。石墨烯根據(jù)手性不同可分為扶手椅型、鋸齒型和螺旋型石墨烯。石墨烯具有一系列優(yōu)異的重要性質(zhì)，在物理性質(zhì)方面，石墨烯具有優(yōu)異的光學(xué)特性，導(dǎo)熱導(dǎo)電性能好，并且具有零帶隙半導(dǎo)體性等特點。具體如導(dǎo)熱性能方面，石墨烯的導(dǎo)熱率高于金剛石和碳納米管，根據(jù)雷曼光譜實驗的得到的結(jié)果，其導(dǎo)熱率為4.84(±0.44)×103~5.30(±0.48)×103W/m/K[31,32]。這樣優(yōu)異的導(dǎo)熱率在很多實際應(yīng)用的材料中都可以得到應(yīng)用，作為傳遞熱量或者是控制熱量的部分。因此，石墨烯從問世以來快速發(fā)展，成為了構(gòu)建納米熱驅(qū)動器件的重要構(gòu)件。利用石墨烯熱導(dǎo)率的相關(guān)研究和發(fā)明成為近年來納米科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點之一。圖1-3碳納米管可通過石墨烯卷曲而成Figure1-3Carbonnanotubescanberolledfromgraphene其中熱泳運(yùn)動是研究的一個熱點方向，該運(yùn)動的原理是物體在溫度梯度場作用下產(chǎn)生的定向運(yùn)動。Walther課題組在2006年利用分子動力學(xué)模擬對于熱泳運(yùn)動進(jìn)行了研究，他們將金納米顆粒放置在納米管中，并且對碳納米管施加溫度梯度場，研究結(jié)果表明，在軸向溫度梯度場的作用下，金納米顆粒可以發(fā)生從高溫區(qū)向低溫區(qū)移動的定向運(yùn)動，該研究還發(fā)?

【參考文獻(xiàn)】：
博士論文
[1]碳納米管的等效彈性參量和屈曲行為分子動力學(xué)模擬研究[D]. 張晨利.上海交通大學(xué) 2007

碩士論文
[1]石墨烯薄膜的等效彈性參數(shù)和力學(xué)行為研究[D]. 沈樂.上海交通大學(xué) 2010



本文編號：3074220