IMECH-IR  > 非线性力学国家重点实验室
典型纳米材料表/界面粘附及自组装的数值研究
张存
Thesis Advisor陈少华
2014
Degree Grantor中国科学院研究生院
Place of Conferral北京
Subtype博士
Degree Discipline固体力学
Abstract
纳米材料广泛应用于航空航天、电子、能源、生物、医学等领域。由于纳米材料的微小尺寸及较大的比表面积,在表面能及微观表面力的作用下,纳米材料会产生自发粘附及自组装,为纳米器件的设计及新型纳米材料的发展提供创新的思想。因此,研究表面力对纳米材料粘附及自组装的影响具有重要的理论意义和潜在的应用价值。本文利用连续介质力学和分子动力学方法,针对碳基纳米材料表界面粘附及自组装中的几个关键科学问题开展了深入的研究,并进一步以纳米金属材料为例,研究了纳米材料表面能尺寸效应。
    首先分析了相同直径自坍塌单壁碳纳米管间的粘附问题。考虑碳纳米管自身的坍塌粘附以及坍塌碳纳米管彼此间的界面粘附,通过变分原理和曲线坐标理论得到了坍塌碳纳米管粘附构型的解析表达,与分子力学一致。进一步综合分析了圆形及半坍塌碳纳米管粘附模型,给出三种模型的适用范围及粘附能表达式。结果表明,自坍塌碳纳米管粘附界面强度最高,可有效提高碳纳米管束增强复合材料中复合增强相界面粘结性能。
    针对碳纳米管辅助石墨烯条带自组装制备碳纳米卷问题,分析了单片石墨烯长度对其自组装行为的影响,并应用最小势能原理预测了碳纳米卷层间距约为0.34 nm,与多壁碳纳米管结构相似,且与分子动力学模拟结果一致。进一步模拟研究了碳纳米管辅助多片石墨烯纳米条带的自组装过程,发现了两种典型的核壳构型,为大尺寸碳纳米卷的制备提供理论指导。
    当石墨烯条带与辅助碳纳米管轴向成一定角度时,石墨烯条带会缠绕在辅助碳纳米管表面,形成螺旋结构。分子动力学模拟研究发现:温度、螺旋角度等因素对该螺旋结构的稳定性具有重要影响;不同恒温下,石墨烯螺旋条带存在三种稳定构型:螺旋结构、碳纳米管结构及准直条带结构;通过升温处理,螺旋结构可转变为碳纳米管或准直条带结构;通过高温退火处理,准直条带结构则可进一步转变为碳纳米管。理论给出了自组装碳纳米管的手性,由石墨烯纳米条带宽度及辅助碳纳米管直径共同决定,理论预测与数值模拟结果一致。
    已有研究表明,可控缺陷的引入对于调节碳纳米管的物理化学性能具有重要作用。有效制备缺陷可控碳纳米管却比较困难。应用分子动力学模拟研究了含空位、Stone-Wales缺陷、硼原子掺杂以及氮原子掺杂的石墨烯条带自组装成碳纳米管的问题,考虑缺陷随机及规则两种分布对自组装制备碳纳米管的影响。研究发现,低密度缺陷石墨烯纳米条带均可转变为碳纳米管,且手性与完美碳纳米管一致;空位缺陷密度达到13.0 at%或Stone-Wale缺陷密度达到5.4 at%的石墨烯纳米条带发生自折叠,导致制备碳纳米管失败。自组装形成碳纳米管的缺陷分布可通过碳纳米管与石墨烯条带的几何映射关系获得。温度对含缺陷碳纳米管制备亦具有重要影响:低恒温条件下(10K)形成密排螺旋结构,高恒温下则在边界处产生非六圆环缺陷。可通过低温热处理,再逐渐升温的方式,制备含可控缺陷的碳纳米管。
    最后,以纳米金属板材料为研究对象,讨论了纳米金属表面能密度的尺寸效应。结果表明:拉格朗日表面能密度随纳米板厚度增加而单调增加,该趋势与表面晶向无关;而欧拉表面能密度随纳米板厚度的变化无一致规律。进一步分析了表面弛豫参数的尺寸效应,并揭示引起两种表面能密度不同尺寸效应的本质。
Language中文
Document Type学位论文
Identifierhttp://dspace.imech.ac.cn/handle/311007/49416
Collection非线性力学国家重点实验室
Recommended Citation
GB/T 7714
张存. 典型纳米材料表/界面粘附及自组装的数值研究[D]. 北京. 中国科学院研究生院,2014.
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