低维纳米材料力学及热学性质的分子动力学研究

论文摘要

本论文通过使用分子动力学方法研究了低维纳米材料如碳纳米管、Ni纳米线的力学和热学性能，以及在纳米磨擦领域也进行了初步的探索。主要的研究内容可以概括为以下四个部分： 第一，研究了在外加压强下（6，6），（8，8），（10，10），（12，12），（15，15），（24，0）及（30，0）碳纳米管束的结构转变。在外加压强下，根据纳米管不同的对称性，纳米管的圆形形状首先转变成理想的六角结构或者椭圆形。随着压强的增大，所有的纳米管都经历了结构相变，完全坍塌成扁平的哑铃形状。我们发现体系的相变压强不但与纳米管的半径，而且与纳米管的对称性存在依赖关系。对具有T21C6h和T21C3h对称性的纳米管，由于相邻管间可以很好的相互匹配，使得这类管束增强了对外加压强的稳定性，导致相变压强比单根的碳纳米管更大。我们还指出，相变后平行排列的纳米管束结构能降低体系的总能量和焓，而另一种人字形排列的管束结构则是相变后的一种亚稳结构。 第二，研究了在外加压强下氢气在石墨和碳纳米管中的存储。在这个研究中，我们通过计算氢气存储前后体系自由能的变化来判断石墨和碳纳米管是否可以存储氢气，另外通过分析存储前后不同能量变化对总能的贡献，发现了石墨和碳纳米管不同的储氢机制。由于氢气在石墨中的存储需要克服很大的层间结合能，而碳原子间的共价相互作用对总能变化的贡献为零，使得总能的变化不足以克服自由能变化中熵变化的贡献。因此在石墨中并不能实现氢气的存储。而对碳纳米管来说，由于氢气的存储使得纳米管在外压下从扁平的长椭圆结构放松成胖椭圆，这样碳原子间的共价相互作用对总能变化有了贡献，而且这种来自弯曲效应的贡献随着纳米管半径的减小而增大。对（15，15）纳米管，其内部空间存储氢气可以在压强为7.0GPa时超过5.2wt％。 第三，我们通过使用更加准确的Kolmogorov-Crespi势函数描述双壁碳纳米管的层间相互作用，研究了双壁碳纳米管的滑动和转动磨擦。在运动中，速度的平台现象以及速坪之间的跳跃是该共轴纳米结构所拥有的普遍现象。速坪出现的原因是层间的磨擦力存在负微分磨擦的特性。这种现象与负微分电阻有相似性。磨擦力在速度平台处急剧上升则是因为内管在运动过程中激发了外管的某些振动模式，产生了共振的现象。 第四，计算了低维纳米材料的热传导能力。在热传导的计算中我们掌握了三种不同的计算方法，并对直接计算以及均匀非平衡态模拟的两种方法做了初步的研究。我们的研究发现碳纳米管在100K是热传导能力最强，而直接计算方法中模拟所使用的尺寸大小对研究结果有非常大的影响。均匀非平衡态模拟计算发现热传导与外力参数Fe并不呈现出线形关系，这与该方法计算UO2的热传导得到的线形规律不同。 另外在论文的第一章里简要介绍了碳纳米管材料的发现历史及一般性质，也介绍了新近兴起的纳米磨擦学。在第二章中对本论文所使用的分子动力学方法作了介绍，包括该方法的基本概念、原子势函数的构造以及不同的等温及等压分子动力学方法。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 引言
• 1.1 碳纳米管
• 1.1.1 碳纳米管的发现
• 1.1.2 单壁碳纳米管的结构
• 1.1.3 多壁碳纳米管
• 1.1.4 碳纳米管束
• 1.2 纳米磨擦学
• 1.2.1 磨擦学发展的历史回顾
• 1.2.2 磨擦的基本属性
• 1.2.3 两种理论模型
• 1.2.4 碳纳米管的磨擦研究
• 1.3 本论文的主要研究内容
• 参考文献
• 第二章 分子动力学方法
• 2.1 基本概念
• 2.2 原子间作用势
• 2.2.1 Born-Oppenheimer近似
• 2.2.2 势函数的构造
• 2.2.3 截断距离与长程相互作用
• 2.2.4 原子间作用势举例
• 2.3 周期性边界条件
• 2.4 时间积分算法
• 2.4.1 Verlet算法
• 2.4.2 预估校正（Predictor-corrector）算法
• 2.5 运行及统计
• 2.6 等温和等压分子动力学
• 2.6.1 等温分子动力学
• 2.6.2 等压分子动力学
• 参考文献
• 第三章 碳纳米管束在压强下的相变
• 3.1 实验中的发现及存在的问题
• 3.2 先行的理论研究与及待解决的问题
• 3.3 模拟方法
• 3.4 结果和讨论
• 3.4.1 零压强下的碳纳米管间相互作用
• 3.4.2 碳纳米管束的结构相变
• 3.4.3 碳纳米管束相变后的亚稳结构
• 3.5 小结
• 参考文献
• 第四章 高压下氢气分子在碳纳米管中的存储
• 4.1 引言
• 4.2 氢气分子间以及碳原子与氢气分子间势函数的选取
• 4.3 模拟方法
• 4.3.1 能量变化的计算方法
• 4.3.2 体系的选取
• 4.3.3 模拟方法
• 4.3.4 势函数的选取
• 4.4 石墨中存储氢气
• 4.4.1 氢气分子的层状结构
• 4.4.2 能量的变化
• 4.4.3 氢气的压强
• 4.5 碳纳米管中氢气的存储
• 4.5.1 氢气在纳米管里的结构
• 4.5.2 能量的变化
• 4.5.3 氢气的压强
• 4.5.4 小直径的纳米管储氢
• 4.6 小结
• 参考文献
• 第五章 双壁碳纳米管滑动和转动磨擦
• 5.1 引言
• 5.2 管间能褶的计算
• 5.2.1 描述能褶的经验势函数
• 5.2.2 不同双壁碳纳米管的能褶
• 5.3 模拟方法
• 5.4 结果和讨论
• 5.4.1 拉动内管的情况
• 5.4.2 频谱的分析
• 5.5 结论及未来的工作
• 参考文献
• 第六章 纳米尺度热传导的初步研究
• 6.1 计算热传导的方法
• 6.1.1 直接测量方法
• 6.1.2 Green-Kubo方法
• 6.1.3 Maead-Munakata均匀NEMD方法
• 6.2 对碳纳米管热传导性质的初步研究
• 6.2.1 直接测量法的研究
• 6.2.2 均匀NEMD方法的研究
• 6.3 进一步的思考及设想
• 参考文献
• 博士期间发表论文情况
• 致谢