弯折和弯曲型碳纳米豆荚结构中富勒烯聚合机制

发布时间：2017-04-26 07:00

  本文关键词：弯折和弯曲型碳纳米豆荚结构中富勒烯聚合机制，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：碳纳米豆荚结构是一种类似于豆荚状构型的新型超分子结构,通过富勒烯分子填塞于碳纳米管一维空腔中形成。对该结构进行高温热处理或者电子辐照,将会引起碳管内富勒烯链的逐步聚合,并逐渐形成一个内壁碳纳米管。尽管实验和理论上对碳纳米豆荚结构、聚合机制、相关性质进行了很多研究,但是大部分工作都是关注外管为直型无缺陷碳纳米管的碳纳米豆荚结构及其聚合行为,而对实验中经常出现的外管为弯折型和弯曲型碳纳米管内富勒烯的聚合行为和最终结构鲜有研究。本论文基于经验势能量驱动的动力学蒙特卡罗法,首次在原子尺度对弯折和弯曲构型的碳纳米豆荚结构中的富勒烯受热聚合行为和最终结构进行了模拟计算,考察了在这类特殊构型的外碳管中富勒烯受热聚合的可行性,并将聚合过程和最终产物结构与无缺陷直壁碳纳米管中富勒烯聚合情况比较,分析其异同,具体内容总结如下:(1)外管弯折角度以及连接结处五、七元环缺陷相对位置对富勒烯聚合行为和最终结构有显著影响。总体来说,受外管束缚影响,富勒烯在弯折管中能够受热聚合形成与弯折外管相似的结构,即两边为不同手性的无缺陷碳纳米管,中间有单个五、七元环缺陷组成的连接结。内管缺陷结在小角度弯折外管(18,0)?(17,1)和大角度弯折外管(18,0)?(10,10)情况下能够复制外管连接结处五、七元环缺陷相对位置。但对于中间弯折角度的外管(18,0)?(15,5)来说,由于缺陷结形成能较高,其五、七元环缺陷的相对位置不会复制外管分布,而是在诸多能量因素竞争中重新分布,达到最低能量构型。另外,在弯折角度较小的(18,0)?(17,1)外管中,由于中间连接结引起的腔体变形较小,亦能形成无缺陷的单壁碳管。同时,受有限时间尺度下的动力学机制影响,聚合而成的富勒烯产生具有较多缺陷的无序管状结构的几率较高。(2)在弯曲型碳纳米豆荚结构中,对于曲率较小的外碳管,受热聚合而成的内壁碳纳米管能够复制外碳管平滑弯曲的无缺陷构型。但随着曲率增加,富勒烯聚合成平滑弯曲内管的难度越来越大,出现平滑弯曲内管向弯折内管转变的现象,其转变取决于在不同弯曲曲率外管刚性束缚条件下,内管平滑弯曲构型的曲率能与弯折构型连接结的形成能之间竞争的结果。(3)对多次随机模拟结果中有明确手性的结构统计显示,无论弯折型外管还是弯曲型外管都能在一定程度上改变原来在直管聚合中出现的大手性角度分布的趋势,同时能够对管壁层间距分布进行调节。该结果意味着通过选择不同弯折或弯曲的外管结构,可能改变富勒烯聚合而成的内管结构分布。
【关键词】：弯折碳纳米豆荚 弯曲碳纳米豆荚 聚合机制 动力学蒙特卡罗法
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB383.1;TQ127.11
【目录】：

• 摘要5-7
• abstract7-11
• 第一章 绪论11-22
• 1.1 富勒烯简介11
• 1.2 碳纳米管简介11-17
• 1.2.1 碳纳米管结构12-14
• 1.2.2 欧拉定理在碳纳米管中的应用14
• 1.2.3 碳纳米管的缺陷14-15
• 1.2.4 碳纳米管的性质及应用15-16
• 1.2.5 碳纳米管的常用制备方法16
• 1.2.6 碳纳米管的结构对物理化学性能及应用的影响16-17
• 1.3 碳纳米豆荚状结构简介17-20
• 1.3.1 碳豆荚的基本结构和受热聚合机制18
• 1.3.2 豆荚法制备双壁碳纳米管的优势18-19
• 1.3.3 豆荚法制备双壁碳纳米管的研究近况19-20
• 1.4 研究目的及意义20-21
• 本章小结21-22
• 第二章 计算模型和方法22-26
• 2.1 初始模型介绍22-23
• 2.2 经验势介绍23
• 2.3 能量驱动的动力学蒙特卡罗方法介绍23-25
• 2.3.1 SW碳碳键旋转24
• 2.3.2 能量驱动的动力学蒙特卡罗方法流程图24-25
• 本章小结25-26
• 第三章 弯折型碳纳米豆荚内富勒烯的聚合26-43
• 3.1 初始模型与计算细节26-28
• 3.1.1 三种弯折型碳纳米豆荚的初始结构26-27
• 3.1.2 计算细节27-28
• 3.2 结果与讨论28-39
• 3.2.1 (18,0)∧(17,1)型外管中富勒烯的聚合28-32
• 3.2.2 (18,0)∧(15,5)型外管中富勒烯的聚合32-36
• 3.2.3 (18,0)∧(10,10)型外管中富勒烯的聚合36-39
• 3.3 三种弯折型外管束缚下内管聚合过程的比较及讨论39-41
• 3.3.1 聚合成功率39-40
• 3.3.2 能量变化趋势40-41
• 本章小结41-43
• 第四章 弯曲型碳纳米豆荚内富勒烯的聚合43-53
• 4.1 初始模型与计算细节43-44
• 4.1.1 三种弯曲型碳豆荚的初始结构43-44
• 4.1.2 计算细节44
• 4.2 结果与讨论44-51
• 4.2.1 (18,0)-50dg型外管中的富勒烯聚合44-47
• 4.2.2 (18,0)-30dg型外管中的富勒烯聚合47-49
• 4.2.3 (18,0)-70dg型外管中的富勒烯聚合49-51
• 4.3 三种弯曲角度外管束缚下内管聚合过程的比较及讨论51-52
• 4.3.1 聚合成功率51
• 4.3.2 (18,0)-30dg和(18,0)-50dg手性变化趋势51-52
• 本章小结52-53
• 结论与展望53-55
• 参考文献55-64
• 致谢64-65
• 在读学位期间发表的论文65

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