《分子模擬研究螺旋碳納米管的力與熱學行為》是依託廈門大學，由吳建洋擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：分子模擬研究螺旋碳納米管的力與熱學行為
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：吳建洋
- 依託單位：廈門大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
螺旋碳納米管，作為一種特殊結構納米材料，在具備直型碳納米管眾多本徵優異性能的同時也具有其螺旋結構帶來的優勢，使其在可伸縮導體/電極、微型應變感測器、超級電容器、光伏、場發射、能量耗散纖維、人工肌肉和多功能碳複合材料等方面具有廣闊的套用前景。但迄今為止對此材料的力與熱學行為認識尚處於初步階段，限制了其套用與發展。因此，本課題擬以（6，6）、（7，5）、（8，4）、（9，3）、（10，1）、（11，0）手性螺旋碳納米管為研究對象，藉助分子模擬技術系統研究其在拉壓與熱載荷下的力學（延伸性、柔韌性、非線性力學回響和最大失效載荷等）和熱學（熱導率、聲子散射等）特性。考察螺旋碳納米管的幾何結構參數、分子結構屬性對其力學特性和軸向熱傳遞的影響規律以及其機械變形與熱傳導的內在關係，建立相應物理模型。通過本課題的研究，可深入認識這類型碳納米材料的力和熱學特性，為其力與熱學評價體系的建立及其套用奠定理論基礎。
結題摘要
碳納米管的石墨烯微觀原子結構使得它具有優良的物理化學特性，獲得了全世界各個領域科學家的廣泛關注，可望在納米電子器件、儲能、場發射與平板顯示、導電和電磁禁止、材料力學增強等眾多領域獲得廣泛套用。螺旋結構碳納米管具有獨特的結構形貌，使得其在納米複合材料料、生物催化、納米電子器件以及納米機電系統等眾多方面的套用。然而探討螺旋結構碳納米管力學性質的研究有限。由於不同的螺旋結構參數，使得文獻報導的彈性力學性質大有差異、不夠系統。此外，實驗上很難認定螺旋碳納米管的微觀結構，如手性、缺陷種類及分布，且很難原位觀察其變形機制。雖然有一些理論研究了螺旋碳納米管的力學特性，但都針對armchair和zigzag碳管的螺旋結構作為研究對象。納米管手性對螺旋碳納米管的力學特性影響迄今為止還是空白。 鑒於此，項目負責及參與人從微觀尺度上系統研究由六種不同手性碳納米管組成的螺旋結構的力學特性。首先採用了拓撲協調法構建螺旋狀碳納米管原子模型，然後利用非平衡分子動力學技術對研究對象拉壓載入。研究發現螺旋碳納米管表現出鋸齒形狀的應力應變回響曲線，主要由范德華誘致的相變，屈曲失穩和類納米鉸鏈的塑性變形所致。特別地，力學回響行為可用基於范德華里的理論模型來描述。此外，螺旋納米管具有高彈性和卓越的延展性（超過600%），歸結於納米管手性依賴的兩種不同變形機制。armchair和zigzag碳納米管組成的螺旋管的非凡延展性由分散式的類鉸鏈的塑性變形導致。研究結果對該類多功能材料在納米器件、場發射與平板顯示和先進力學材料的發展及套用具有重要的指導意義。此外，研究內容拓展到了糾纏螺旋碳納米管、碳納米管剪裁結構、類石墨烯、含孿晶晶界多晶石墨烯、金剛石納米線、多晶二硫化鉬和多晶黑磷的拉伸力學特性，超大類洋蔥結構富勒烯的反常熱穩定性以及碳納米管搭接界面的剪下與剝離失效機理等。研究結果有助於深入認識這些低維材料的力與熱學特性，為這一類材料的結構設計及實際套用奠定了理論基礎。
