储氦单壁碳纳米管坍塌行为控制研究

发布时间：2020-05-11 09:23

【摘要】：大直径单壁碳纳米管受到外压和弯曲时会发生不同程度的坍塌,本文提出将单壁碳纳米管作为储氦容器,通过调节储氦率将实现碳纳米管坍塌构形的控制。本文针对储氦大直径单壁碳纳米管坍塌机理、坍塌过程、坍塌临界状态等行为与储氦率的关系,进行了分子动力学及理论模型研究。建立了单壁碳纳米管内储氦理论模型,包括单壁碳纳米管在连续薄壳假设下的连续介质模型、采用最密堆叠假设的氦原子模型和碳纳米管与氦原子相互作用模型。理论模型与分子动力学模拟结果一致,可以有效的得到储氦单壁碳纳米管半径变化、氦原子平均间距、碳纳米管与氦原子间距等构形参数与氦原子个数的关系。定义了描述单壁碳纳米管内氦原子个数的储氦率,预报了管壁张力,在理论模型的基础上,给出了单壁碳纳米管发生破坏的储氦极限。采用分子动力学模拟得到了单壁碳纳米管坍塌的全过程,研究了坍塌行为与势能之间的关系,得到了单壁碳纳米管坍塌稳态随着半径的分布。在此基础上向单壁碳纳米管内储氦,得到了不同储氦率下单壁碳纳米管坍塌构形,对单壁碳纳米管坍塌的最终构形进行了区分,分别为哑铃型和花生型,定义了哑铃型向花生型转变的临界储氦率和抑制碳纳米管坍塌的最小储氦率。考虑单壁碳纳米管与氦原子团簇之间的范德华能作用,建立了单壁碳纳米管储氦抑制坍塌行为的理论模型,从而得到储氦抑制碳纳米管坍塌的判据,实现了对于抑制碳纳米管坍塌的最小储氦率的初步预报。为评价不同储氦率下圆截面单壁碳纳米管和坍塌单壁碳纳米管的力学性能,设计了两种工况分别对圆截面形式碳纳米管和坍塌构形碳纳米管进行了位移载荷分析和Mises应力分析,得到了不同储氦率下碳纳米管的力学响应和破坏过程。对于坍塌碳纳米管的力学性能分析中,定义等效刚度比较了不同坍塌构形碳纳米管的抗弯性能。储氦对于这两种碳纳米管均有增强作用,然而其增强机理不同。此外,探讨了温度对碳纳米管的行为控制,对碳纳米管的热泳行为的规律进行了研究。通过储氦实现了对大直径单壁碳纳米管坍塌的调控,大直径坍塌单壁碳纳米管随着储氦率的增大,构形发生转变,抗弯性能得到增强。向单壁碳纳米管内储氦抑制坍塌,这给予大直径碳纳米管的材料制备和理论研究提供了新的思路,具有广阔的应用前景。
【图文】：

碳纳米管,纳米,超轻材料,石墨

极好的力学及电学性能，在不同的领域得到了广泛的应用。碳纳米管是富勒烯结构族成员（图1-1），直径在零点几纳米到几十纳米之间，长度从几十纳米到微米级，甚至长达毫米级[2]，，多层碳纳米管的相邻两层间距约为 0.34nm。石墨烯与碳纳米管作为纳米材料，在超轻材料应用领域一直是研究热点[38]-[42]。碳纳米管可看作是由一层或多层石墨烯卷曲而成，根据卷曲角度的不同，可以按手性分为扶手椅型、锯齿型和螺旋型（图 1-2）。碳纳米管根据层数可将分为单壁碳纳米管（single-walled carbon nanotubes，SWCNTs）及多壁碳纳米管（multi-walledcarbon nanotubes, MWCNTs），如图 1-3 所示。图 1-1 碳的同素异形体

碳纳米管,手性

碳纳米管的手性
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ127.11;TB383.1

【参考文献】