枝节碳纳米管压缩屈曲性能多尺度模拟

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枝节碳纳米管因为结构的对称性及良好的电学性能,引发了越来越多科学家和学者深入研究的兴趣。由于受到尺寸和结构等的约束,对枝节碳纳米管进行实验研究非常困难,目前主要采用数值模拟的方法来对其力学性能进行研究。本文采用了基于Tersoff-Brenner二代多体势函数的原子有限元法(AFEM)和传统连续介质有限元法(FEM)对单壁枝节碳纳米管和单壁直碳纳米管进行轴向压缩动力屈曲性能模拟。探讨了碳纳米管的长度、半径以及手性对碳纳米管屈曲行为的影响,研究结果主要分以下几个方面:(1)首先采用原子有限元法和连续介质有限元法模拟了单壁直碳纳米管(SWCNTs)的轴向压缩动力屈曲行为。模拟了长度为6nm,手性(3,3)10,10(对应半径0.2nm0.7nm)的SWCNTs动力屈曲行为。结果表明:单壁直碳纳米管的临界屈曲载荷随着半径的增大出现先增后减的趋势,在手性(8,8)即半径为0.5nm时达到最大值。同时模拟了手性(5,5),长度为2nm10nm的SWCNTs动力屈曲行为。结果发现:单壁直碳纳米管的临界屈曲载荷随着长度的增加呈递减趋势,当长度小于6nm时,碳管以局部屈曲失稳为主,当长度超过6nm后,碳管更容易出现整体屈曲失稳,说明长度越长,结构所需屈曲的临界应力也越小。本文模拟的结果与其他研究者采用分子动力学方法(MD)的结果非常吻合,说明采用AFEM和FEM来模拟碳纳米管动力屈曲性能是可行的。(2)其次采用原子有限元法和连续介质有限元法对“Y”型单壁枝节碳纳米管(BSWCNTs)进行了轴向压缩动力屈曲模拟。模拟了枝节长度为2nm,手性(3,3)10,10的BSWCNTs动力屈曲行为。结果表明:枝节碳纳米管临界屈曲载荷随着管径的增大呈现先增后减趋势,在手性(5,5)即半径为0.34nm时达到峰值,当半径大于0.4nm后,枝节连接处部分原子键长的破坏使得结构的屈曲载荷下降比较明显。同时模拟了手性(5,5),枝节长度为1nm4nm的BSWCNTs动力屈曲行为。结果发现:单壁枝节碳纳米管临界屈曲载荷随着长度的增加逐渐减小,同样存在长度越长,结构越不稳定现象。此外,比较(5,5)(6,4)(8,0)三种不同手性的枝节碳纳米管轴向屈曲,在相同半径和长度下,扶手椅型比锯齿型结构更趋于稳定。(3)最后对比了连续介质有限元法和原子有限元法的模拟结果。对于本文研究的枝节长度1nm4nm的单壁枝节碳纳米管,当半径小于0.4nm,两种尺度有限元方法所得结果吻合的比较好,说明连续介质有限元法在一定程度上可以用来预测枝节碳纳米管的动力屈曲力学性能。
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