缺陷对碳纳米管-石墨烯系统运动的影响及调控研究
发布时间：2021-03-10 06:30
碳纳米管和石墨烯是近年来纳米材料领域的热点研究对象,碳纳米管是一维材料,石墨烯是二维材料,由于它们优异的力学,电学和化学性能,在材料学、微纳米器件等方向都得到了广泛的应用。由于两种材料的制造工艺的限制,目前生产的碳纳米管和石墨烯往往都含有不同数量和种类的缺陷,这些缺陷对于碳纳米管和石墨烯及其组合器件的性质有重要的影响,对于这一部分内容的研究也有助于指导其相关的应用,但是目前对于碳纳米管和石墨烯缺陷对于其力学性质的影响规律的研究还不完善。因此本文的研究基于分子动力学研究的方法,对于不同种类和数量的缺陷对于碳纳米管和石墨烯及其组合纳米器件的运动影响进行了研究,得到其影响规律,并且在此基础上,利用其缺陷的影响,设计了新的石墨烯和碳纳米管组合纯转动系统。首先,采用双壁碳纳米管平动系统作为研究对象,在其中加入了不同数量和位置分布的空位缺陷和STW缺陷,在其余条件都相同的情况下,研究缺陷对于系统运动的影响。研究发现:缺陷数量与缺陷对于系统运动的影响大小整体上成正比,即随着缺陷数量的增加,缺陷对于系统运动的影响越大;其中缺陷的不同位置分布对于运动也有不同的影响。其次,在分析了缺陷对于纳米系统的运动影...
【文章来源】：华南理工大学广东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
碳纳米管手性示意图：(a)扶手椅型；(b)锯齿型；(c)手性型
华南理工大学硕士学位论文4图1-2Barreiro等人设计的基于碳纳米管的纳米驱动器[6]Figure1-2Carbonnanotube-basednanodriverdesignedbyBarreiroetal.另外由于碳纳米管具有可在纳米机电系统中发挥重要作用的优异的机械性能。研究者在设计制造性能优良的纳米机械的过程中通常会利用碳纳米管的较高的弹性模量、力学形变性能以及层间相对较低的范德华效应等特点[14]，如以纳米材料为基础的发电机[15]和光电器件[16]。碳纳米管是纳米机电系统的核心组件，是在纳米机电系统中提供能量和实现能量转化的部件。多壁碳纳米管之所以成为构建纳米机电系统的最佳材料之一，原因是其具有独特的多层嵌套结构，这种结构使得其能实现层间灵活的自由转动和滑动。过去的很多研究认为，相对容易在纳米尺度下提供的能量是电能，因此不少研究者提出了基于电能驱动的碳纳米管器件。但是电能驱动有控制难度大和能量利用率低等许多缺点，这也导致了器件在实际应用时的缺陷。所以最近的研究中，越来越多的科学家将注意力放再发现和设计新的纳米驱动方式，比较热门的方式有弹性梯度驱动、湿度梯度驱动和温度梯度驱动等。蔡坤课题组的研究以多壁碳纳米管为主要组件设计了纳米变速器和转动振荡器等器件，对于它们的动力学行为和性能采用分子动力学模拟方法进行了研究，同时讨论了环境温度和碳管长度对其性能的影响[17-19]。碳纳米管自从问世起即受到整个材料科学界的关注，特别是基于碳纳米管的纳米器件的研究近些年来都属于材料学界研究的热点，这是由于碳纳米管具有的优异性能，尤其是优秀的弹性力学性能以及稳定性，这些性能促使科学家们对于利用碳纳米管构建纳米器件的更多可能性进行更加广泛的探索研究。此外，由于多壁碳纳米的层间摩擦力相对较小，并且具有灵活
华南理工大学硕士学位论文6论认为类似石墨烯这样的二维晶体无法稳定并且独立地存在，这一实验结果也为反驳这个观点提供了证据，证明了在环境中二维晶体石墨烯可以独立稳定地存在，这一结果也为包括石墨烯在内的为二维纳米材料提供了更多理论研究和实际应用上的可能性，由此以后，石墨烯在短时间内得到了该研究领域内很多科学家热衷研究的对象。如图1-3所示，通过裁剪或堆叠、卷曲石墨烯等方法可以获得其他基于碳的同素异形体，如碳纳米管、石墨和富勒烯等[30]。之前的理论计算得出石墨烯的杨氏模量大约为1TPa,强度则超过130GPa。石墨烯根据手性不同可分为扶手椅型、锯齿型和螺旋型石墨烯。石墨烯具有一系列优异的重要性质，在物理性质方面，石墨烯具有优异的光学特性，导热导电性能好，并且具有零带隙半导体性等特点。具体如导热性能方面，石墨烯的导热率高于金刚石和碳纳米管，根据雷曼光谱实验的得到的结果，其导热率为4.84(±0.44)×103~5.30(±0.48)×103W/m/K[31,32]。这样优异的导热率在很多实际应用的材料中都可以得到应用，作为传递热量或者是控制热量的部分。因此，石墨烯从问世以来快速发展，成为了构建纳米热驱动器件的重要构件。利用石墨烯热导率的相关研究和发明成为近年来纳米科学领域的研究热点之一。图1-3碳纳米管可通过石墨烯卷曲而成Figure1-3Carbonnanotubescanberolledfromgraphene其中热泳运动是研究的一个热点方向，该运动的原理是物体在温度梯度场作用下产生的定向运动。Walther课题组在2006年利用分子动力学模拟对于热泳运动进行了研究，他们将金纳米颗粒放置在纳米管中，并且对碳纳米管施加温度梯度场，研究结果表明，在轴向温度梯度场的作用下，金纳米颗粒可以发生从高温区向低温区移动的定向运动，该研究还发?
【参考文献】：
博士论文
[1]碳纳米管的等效弹性参量和屈曲行为分子动力学模拟研究[D]. 张晨利.上海交通大学 2007
硕士论文
[1]石墨烯薄膜的等效弹性参数和力学行为研究[D]. 沈乐.上海交通大学 2010
本文编号：3074220
【文章来源】：华南理工大学广东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
碳纳米管手性示意图：(a)扶手椅型；(b)锯齿型；(c)手性型
华南理工大学硕士学位论文4图1-2Barreiro等人设计的基于碳纳米管的纳米驱动器[6]Figure1-2Carbonnanotube-basednanodriverdesignedbyBarreiroetal.另外由于碳纳米管具有可在纳米机电系统中发挥重要作用的优异的机械性能。研究者在设计制造性能优良的纳米机械的过程中通常会利用碳纳米管的较高的弹性模量、力学形变性能以及层间相对较低的范德华效应等特点[14]，如以纳米材料为基础的发电机[15]和光电器件[16]。碳纳米管是纳米机电系统的核心组件，是在纳米机电系统中提供能量和实现能量转化的部件。多壁碳纳米管之所以成为构建纳米机电系统的最佳材料之一，原因是其具有独特的多层嵌套结构，这种结构使得其能实现层间灵活的自由转动和滑动。过去的很多研究认为，相对容易在纳米尺度下提供的能量是电能，因此不少研究者提出了基于电能驱动的碳纳米管器件。但是电能驱动有控制难度大和能量利用率低等许多缺点，这也导致了器件在实际应用时的缺陷。所以最近的研究中，越来越多的科学家将注意力放再发现和设计新的纳米驱动方式，比较热门的方式有弹性梯度驱动、湿度梯度驱动和温度梯度驱动等。蔡坤课题组的研究以多壁碳纳米管为主要组件设计了纳米变速器和转动振荡器等器件，对于它们的动力学行为和性能采用分子动力学模拟方法进行了研究，同时讨论了环境温度和碳管长度对其性能的影响[17-19]。碳纳米管自从问世起即受到整个材料科学界的关注，特别是基于碳纳米管的纳米器件的研究近些年来都属于材料学界研究的热点，这是由于碳纳米管具有的优异性能，尤其是优秀的弹性力学性能以及稳定性，这些性能促使科学家们对于利用碳纳米管构建纳米器件的更多可能性进行更加广泛的探索研究。此外，由于多壁碳纳米的层间摩擦力相对较小，并且具有灵活
华南理工大学硕士学位论文6论认为类似石墨烯这样的二维晶体无法稳定并且独立地存在，这一实验结果也为反驳这个观点提供了证据，证明了在环境中二维晶体石墨烯可以独立稳定地存在，这一结果也为包括石墨烯在内的为二维纳米材料提供了更多理论研究和实际应用上的可能性，由此以后，石墨烯在短时间内得到了该研究领域内很多科学家热衷研究的对象。如图1-3所示，通过裁剪或堆叠、卷曲石墨烯等方法可以获得其他基于碳的同素异形体，如碳纳米管、石墨和富勒烯等[30]。之前的理论计算得出石墨烯的杨氏模量大约为1TPa,强度则超过130GPa。石墨烯根据手性不同可分为扶手椅型、锯齿型和螺旋型石墨烯。石墨烯具有一系列优异的重要性质，在物理性质方面，石墨烯具有优异的光学特性，导热导电性能好，并且具有零带隙半导体性等特点。具体如导热性能方面，石墨烯的导热率高于金刚石和碳纳米管，根据雷曼光谱实验的得到的结果，其导热率为4.84(±0.44)×103~5.30(±0.48)×103W/m/K[31,32]。这样优异的导热率在很多实际应用的材料中都可以得到应用，作为传递热量或者是控制热量的部分。因此，石墨烯从问世以来快速发展，成为了构建纳米热驱动器件的重要构件。利用石墨烯热导率的相关研究和发明成为近年来纳米科学领域的研究热点之一。图1-3碳纳米管可通过石墨烯卷曲而成Figure1-3Carbonnanotubescanberolledfromgraphene其中热泳运动是研究的一个热点方向，该运动的原理是物体在温度梯度场作用下产生的定向运动。Walther课题组在2006年利用分子动力学模拟对于热泳运动进行了研究，他们将金纳米颗粒放置在纳米管中，并且对碳纳米管施加温度梯度场，研究结果表明，在轴向温度梯度场的作用下，金纳米颗粒可以发生从高温区向低温区移动的定向运动，该研究还发?
【参考文献】：
博士论文
[1]碳纳米管的等效弹性参量和屈曲行为分子动力学模拟研究[D]. 张晨利.上海交通大学 2007
硕士论文
[1]石墨烯薄膜的等效弹性参数和力学行为研究[D]. 沈乐.上海交通大学 2010
本文编号：3074220
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/huaxue/3074220.html
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