碳纳米管具有优异的热学、力学、电学和光学特性,吸引各界学者广泛关注,尤其单根单壁碳纳米管性能最优。碳纳米管形态对其优异性能的发挥具有重大影响。影响碳管性能发挥最为关键的问题之一是分散难题。在制备过程中,由于碳纳米管的高长径比及管间的范德华作用,加上制备技术的缺陷,碳管极易纠缠在一起形成碳管团簇,致使其显著的低维性能在后许应用中得不到全面的良好发挥。因此,在碳纳米管的性能研究和应用中,分散问题的解决成为重中之重。现有的分散方法大多通过物理手段或者化学处理的方式,将碳管团簇打开。但传统方法仍有较多缺点:例如传统物理手段会辗断碳管,失去碳管高长径比的特点,传统化学处理往往会引入较多杂质,破坏碳纳米管完美结构,进而降低其本征性能,更谈不上性能发挥。在之前的研究中提出了碳纳米管团簇在水中通过热激励的方式达到分散目的的设想,以热能为能量形式,通过水的爆炸沸腾,将管束分散开来,达到分散的目的,且不引入任何杂质。本文从该设想出发,运用分子动力学手段,探究在热激励下,碳纳米管管束在水中的分散运动规律。第一部分研究了碳纳米管内部构成的受限空间对水分子结构和分布的影响。水分子虽然结构简单,但相比其他液体,水具有更不致密的固体结构、高表面张力、高比热等等特殊性质,水分子在受限空间内常常表现出不同寻常的性质和状态,碳管内部空间是天然的受限空间。碳纳米管/水的混合体系也是研究的重点。第一部分采用分子动力学方法探究了管径、手性和温度对单壁碳纳米管管腔内水的结构和分布的影响。结果表明:在常温下,管径尺寸范围为1.018–1.253 nm的单壁碳纳米管管内易形成有序的多元环水结构,此范围以外碳纳米管管内难以形成水的有序结构;且随着管径尺寸增大,多元环水呈现由三元环至六元环的结构变化;范德华势分布分析表明在上述管径范围内,水分子趋向于贴近碳纳米管管壁分布而形成水的有序结构。对比管径尺寸差别较小的碳纳米管,其手性对多元环水结构影响不大。多元环水结构的稳定性表现出温度依赖性,管径较大的碳纳米管内的多元环水的有序结构更易随温度升高而消失。第二部分是探究水分子在碳管管束间的扩散。实验制备的碳管很少以单管的形式存在,大多为管束的形式。碳管之间也构成一定的受限空间,水分子在碳管间隙处的扩散对于水分子分散碳纳米管的研究具有实际意义。结果显示,结合实验制备的碳管尺寸,得出水分子在常温下能够渗透到碳管间隙。另外,温度的增加有利于加速水分子的扩散。第三部分探究了高温下碳纳米管在水中分散的运动规律。通过原子分布、温度分布、均方位移分析得出,温度并不是越高分散效果越好,温度为800K时碳管的分散效果相比其他温度时的效果好,且在模拟时间内,分散之后不再出现聚集的情况。通过以上工作可以看出,热激励下碳纳米管在水中进行分散的方法是可行的,而且碳管未出重新聚集的情况,这对于碳纳米管分散具有重要意义。