电场作用下含液碳纳米管的变形调控机理研究

发布时间：2020-08-07 16:27

【摘要】：碳纳米管以其优越的力学、电学与光学等特性被认为是微纳机电系统中结构单元和功能性器件的理想材料之一。由于碳纳米管具有一维中空结构,对碳纳米管进行填充常常能够进一步增强碳纳米管的性能或丰富碳纳米管的功能。认识和理解材料填充对碳纳米管的影响,并基于此实现对碳纳米管的性能和变形进行有效精确地调控将会有力地拓展碳纳米管的功能和应用。本文分别针对内部含有水和NaCl溶液的碳纳米管在电场作用下的变形行为开展研究,主要内容包括:基于分子动力学方法开展了电场作用下含水碳纳米管的弯曲变形行为研究,揭示了碳纳米管直径、电场强度与电场方向等因素对其变形行为的影响规律。数值结果表明,含水碳纳米管在单向电场作用下几乎不发生变形,轴向电场与横向电场的共同作用会引起含水碳纳米管发生弯曲,轴向电场的具体方向决定了含水碳纳米管的弯曲变形相对于横向电场的方向,增强横向电场的强度会引起碳纳米管弯曲挠度的增加。此外,基于经典梁理论构建了轴力分别与弯矩和剪力耦合作用下的含水碳纳米管弯曲变形的理论模型,结果表明基于剪力模型得到的弯曲挠曲线可以更好地描述数值模拟结果。基于分子动力学方法研究了含NaCl溶液碳纳米管分别在单个轴向电场与两个方向正交的电场作用下的拉伸与弯曲变形行为,揭示了碳纳米管直径、电场强度以及离子溶液浓度对含液碳纳米管变形行为的影响规律。数值结果表明,在相同电场强度下,含液碳纳米管的伸长量与碳纳米管直径、离子浓度成正比。当直径较小时,含液碳纳米管的拉伸变形与电场强度呈现出线性的变化趋势,随着直径的增加这种变化趋势转变为非线性。在两个方向正交的电场作用下,含液碳纳米管的弯曲挠度与横向电场强度基本成正比关系,溶液浓度可进一步影响弯曲挠度和直径的控制关系。此外,建立了含NaCl溶液碳纳米管在电场作用下拉伸与弯曲变形行为的理论模型。结果表明,碳纳米管的拉伸与弯曲变形可分别通过轴力以及轴力与剪力的共同作用进行描述。本文工作揭示了电场作用下含液碳纳米管的变形行为与碳纳米管直径、电场强度、电场方向和离子溶液浓度等因素之间的控制关系,阐明了含液碳纳米管在电场作用下发生拉伸与弯曲变形的机理。研究结果对基于含水与含NaCl溶液碳纳米管的纳米尺度可控性器件的设计与应用具有重要的指导意义。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB383.1

【参考文献】