碳纳米管力学强度的尺寸效应

发布时间：2020-05-12 11:46

【摘要】：碳纳米管在建筑和土木工程领域有广泛的应用潜力,尤其可以对建筑材料的力学性能、保温性能等起到明显的提升作用。这些应用前景都得益于碳纳米管优异的力学性能。充分理解这些优异性能的物理机制对碳纳米管的实际应用有着重要的指导作用。由于碳纳米管的纳米尺度实验研究很难开展,而分子动力学方法在原子尺度上可以较为精确描述碳纳米管的力学特性,同时可以考虑温度、缺陷浓度、直径以及加载条件等对碳纳米管力学性质的影响,是研究纳米材料的理想方法。本文以单壁纯净碳纳米管和缺陷碳纳米管为研究对象,通过分子动力学模拟研究了碳纳米管在轴向拉伸下的强度尺寸效应以及温度、缺陷、直径等因素对尺寸效应的影响规律。通过分子动力学模拟,分析了纯净碳纳米管拉伸断裂的应力-应变曲线,系统地研究了温度变化对碳纳米管极限应变的影响。分析表明温度越高,碳纳米管极限应变越小,越容易被拉断。针对固定长度的纯净碳纳米管进行拉伸断裂应变统计,画出断裂应变分布图,拟合得到符合Weibull统计强度理论。随后用分子动力学模拟了碳纳米管轴向的断裂应变与长度的关系,发现有限温度下纯净碳纳米管也体现出了尺寸效应。由于一般认为尺寸效应来自于材料中存在的缺陷,而本文在纯净碳纳米管中发现的尺寸效应来自于原子的随机热运动,因此是一种由“动态无序”导致的全新的强度尺寸效应。本文系统地研究了缺陷碳纳米管的拉伸强度尺寸效应。采用分子动力学方法,对缺陷碳纳米管进行拉伸断裂模拟得出应力—应变曲线,研究发现缺陷碳管的断裂应变明显比纯净碳管小。对固定长度缺陷碳纳米管的断裂应变进行数值模拟,拟合其断裂应变的统计分布发现非常符合Weibull强度统计理论的预言。进一步模拟了不同长度的缺陷碳纳米管的断裂应变,其碳纳米管强度尺寸效应符合Weibull统计理论,这也说明了,Weibull理论是适用于讨论缺陷碳纳米管的力学强度性质的。本文也依次模拟了缺陷浓度和温度对尺寸效应的作用,总体来说影响较弱。本文也模拟了直径对缺陷碳纳米管拉伸强度尺寸效应的影响,研究发现随着直径的增加,缺陷对断裂应变的减小作用逐渐变弱。本文的研究加深对碳纳米管力学性能的尺寸效应规律的理解,明确Weibull统计强度理论适用于分析碳纳米管的尺寸效应,并提出了纳观尺寸效应的“动态无序”新机制。充分理解这些现象背后的物理机制对碳纳米管在土木工程领域的实际应用有着重要的指导作用,而其中“动态无序”的尺寸效应机制或许对研究土木工程中所涉及的动态加载下的结构稳定性问题有借鉴作用。
【图文】：

碳管,指标

图 1.1 (a) 碳管指标的定义 (b) (4 ,2)碳管1.1 (a) Definition of carbon tube index (b) (4, 2) Carbo的力学性质面，大多通过分子动力学模拟来研究其力学性围下的碳纳米管的力学行为。Overney 等[52]最早一原理参数出发计算了(5,5)碳纳米管原子数分(E)及对应结构刚度。Dresselhaus 等[53]在石墨的基础上，使用了连续介质理论模型，推导[54]通过分子动力学模拟了碳—碳键长和键角缩能、键角的变换能，得到了锯齿型和扶手椅型。Yao 等[55]采用不同的势函数模型的分子动力学动力学的模拟包括了拉伸、扭转、弯曲，，模型，碳管的半径和螺旋角与杨氏模量有一定的关

碳管,应力-应变曲线,拉伸强度

图 2.1 纯净碳管拉伸强度的应力-应变曲线. 2.1 Stress-strain curves of the tensile strength of pristine carbon了(8,8)单壁碳纳米管在轴向拉伸过程中原子结构的变a 为碳管拉伸过程动画图，即为上图的 a 点；碳纳米纳米管向轴向扩张，其横向截面呈圆形，六边形碳原不断增加，碳—碳键沿轴向拉长，碳管向两侧延伸渐 a 中尚未出现任何健的断裂和缺陷的产生。b 为碳管为图 2.1 中 b 点；当轴向拉伸应变达到一定程度，结的 b 中可清楚的看出某处的碳—碳键先发生断裂，然扩大形成更大范围的缺陷，沿着碳纳米管的横向和画图可以看出，继续加载的碳管并未完全断开，而是碳原子相连，即为上图的 c 点。d 图为碳管完全断裂 2 断，其应变迅速下降，此时碳纳米管完全失效。
【学位授予单位】：绍兴文理学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ127.11;TB383.1

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