分子动力学法碳纳米管及碳纳米管探针特性分析

论文摘要

分子动力学(MD)方法是应用最广的计算机纳米力学数值模拟方法，理论发展较快，运用这种方法能够获得原子运行轨迹，以及系统的力学、热学和动力学特性。碳纳米管((CNTs)具有优越的物理和化学性能，因而具有良好的应用前景。为了更好的了解其特性，进入微观领域的研究十分必要，这使得分子动力学方法成为研究碳纳米管的有力工具。本文采用分子动力学方法，运用Tersoff多体势函数对碳纳米管以及碳纳米管探针的特性进行了探讨，具体工作如下:1.综述了碳纳米管以及分子动力学相关领域的发展状况，阐述课题的目的和意义，明确了本文的研究内容;2.简述了分子动力学基本原理，解析了分子动力学势函数的不同，介绍了本文建模以及计算方法;3.针对不同螺旋角，不同直径，不同层数的碳纳米管进行了仿真模拟，在微观的原子尺度分析了碳纳米管拉伸和压缩屈曲的变形机制，给出拉伸速率、温度以及弛豫时间等对碳纳米管性能的影响规律;4.在碳纳米管模型中构造了典型缺陷，模拟了具有缺陷的碳纳米管变形过程，得出了不同类型的缺陷对碳纳米管性能的影响机制;针对双层的碳纳米管，给出了缺陷在内层和外层对碳管性能的不同影响规律;5.构建了不同类型的碳纳米管探针模型，针对不同类型的碳纳米管探针，研究了探针受到横向力的变形过程，建立了探针的扫描模型，给出减小探针纵向波动而提升分辨率的方法。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景与意义
• 1.1.1 碳纳米管简介
• 1.1.2 碳纳米管的特性
• 1.1.3 碳纳米管应用
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 国内外研究现状
• 1.2.2 国内外研究现状
• 第二章 分子动力学
• 2.1 引言
• 2.2 分子动力学基本原理与算法
• 2.3 分子动力学势函数
• 2.3.1 对势
• 2.3.2 多体势
• 2.4 系综
• 2.5 积分器
• 2.6 边界条件
• 2.7 仿真工具
• 2.7.1 建模工具
• 2.7.2 计算工具
• 2.7.3 可视化工具
• 2.8 本章小结
• 第三章 SWNTs以及MWNTs拉伸与压缩性能研究
• 3.1 引言
• 3.2 模型建立
• 3.3 拉伸过程
• 3.3.1 预处理
• 3.3.2 仿真过程中的温度能量变化
• 3.3.3 仿真过程中碳纳米管模型的变形过程
• 3.3.4 杨氏模量计算
• 3.4 影响拉伸性能的因素
• 3.4.1 不同时间步的影响
• 3.4.2 不同弛豫时间的影响
• 3.4.3 不同拉伸速率的影响
• 3.4.4 不同温度的影响
• 3.5 不同类型碳管的拉伸仿真
• 3.5.1 碳纳米管的不同类型
• 3.5.2 不同类型碳纳米管的拉伸曲线分析
• 3.6 不同类型碳管的压缩仿真
• 3.6.1 压缩仿真的初始设置
• 3.6.2 压缩曲线分析
• 3.6.3 压缩变形
• 3.7 本章小结
• 第四章 缺陷对碳纳米管性能的影响
• 4.1 引言
• 4.2 碳纳米管中的缺陷形式
• 4.2.1 单点缺陷
• 4.2.2 两点和多点缺陷
• 4.2.3 SW扭转缺陷
• 4.3 缺陷对拉伸性能的影响
• 4.3.1 仿真模型
• 4.3.2 缺陷对不同类型碳纳米管的影响
• 4.4 缺陷复合影响
• 4.4.1 模型
• 4.4.2 单点空位缺陷
• 4.4.3 两点缺陷
• 4.4.4 复合缺陷影响
• 4.5 缺陷对双层碳管的影响
• 4.5.1 模型
• 4.5.2 缺陷影响分析
• 4.6 本章小结
• 第五章 碳纳米管探针
• 5.1 引言
• 5.2 不同类型探针
• 5.2.1 传统的AFM探针
• 5.2.2 碳纳米管探针
• 5.3 碳纳米管探针受横向力分析
• 5.3.1 碳管探针受力模型
• 5.3.2 受力变形过程
• 5.3.3 变形过程分析
• 5.3.4 单层探针模型震荡过程
• 5.4 探针扫描过程
• 5.4.1 扫描模型
• 5.4.2 加宽与细化效应
• 5.4.3 扫描过程分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 全文总结以及展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 附录
• 附录1-Matlab编制的碳管生成程序
• 附录2-LAMMPS典型程序
• 致谢