氦在单壁碳纳米管中的聚集及其对力学性能的影响

论文摘要

在核技术和核工业领域中,氦的产生和聚集对于聚（?）裂变堆（?）金属材料造成的损伤一直是困扰核材料使用安全的重大问题。氦的影响主要体现在由于氦的低溶解度其在材料体内极易聚集成团形成氦泡,造成材料肿胀,使之脆化,从而破坏材料的力学性能,缩短材料的使用寿命。因此,很有必要寻找新一代抗氦脆材料。自从1991年碳纳米管首次被发现以来,人们发现碳纳米管具有管状结构、小尺度、高硬度和优良的电学、力学等特性。此外,碳纳米管被认为具有高的比表面积,被预言是一种良好的吸附材料。目前人们已经成功在碳纳米管中填充了多种物质,如金属卤化物、水、稀有气体和氢气等。因此用碳纳米管来储氦引起了人们越来越多的兴趣:它可以减少氦在金属材料内的聚集,其次赁借优良的力学性能,有可能可以抵御由氦引起的材料的肿胀和脆化。本文采用分子动力学模拟,研究了氦在单壁碳纳米管（SWNT）内的吸附聚集行为,进而计算了氦对SWNT力学行为的影响。在本工作中采用Tersoff-Brenner多体（?）及Le（?）d-Jones长程势相结合来描述碳-碳原子间的相互作用,碳-氦原子以及氦-氦原子间的相互作用则采用Lennard-Jones作用来描述。本文首先模拟了氦原子在SWNT内的填充密度对所（?）的稳定结构的影响,发现对较低的填充密度氦原子在管内优先形成圆柱状壳层,随着填充密度的增加,氦原子才在管的轴向中心线上形成一维线状的结构,基于以上的工作,我们又通过对SWNT的轴向压缩模拟研究了氦原子的填充（?）对单壁（?）管的力学性能的影响。发现填充氦原子并不改变碳管的杨氏模量。但存在一个临界填充密度,当填充密度小于临界密度值时,碳管弯曲屈服力（Buckling-force）与空管一致,当填充密度大于此临界值,Buckling-force随填充密度的（?）而增大,这主要是由于氦原子与碳原子之间的van der Waals（vdW）相互作用引起的。进而,本工作还研究了温度对填充碳纳米管的轴向压缩性能的影响。模拟结果表明,温度升高导致空管的Buckling-force降低。然而对于填充管,温度对Buckling-force的影响则不像对于空管那么明显。这是因为填充管内的氦原子在高温下的热运动加剧,其层状结构膨胀,氦壳层与管壁之间的空间缩小,使管壁与氦原子间表现为排斥作用,从而抵御了管壁的弯曲。本文还模拟计算了氦原子在碳纳米管阵列中的势能分布,发现势能最低点在三根碳管的间隙中间,即为氦原子在管外的稳定位置。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• §1.1 氦对金属材料的影响和危害
• §1.2 碳纳米管的结构及其吸附特性
• §1.2.1 碳纳米管的结构
• §1.2.1 碳纳米管的吸附特性
• §1.3 碳纳米管力学性能的研究进展
• §1.4 本文的研究目的和主要内容
• 第二章 计算机模拟方法
• §2.1 分子动力学模拟方法
• §2.1.1 分子运动方程
• §2.1.2 数值积分方法
• §2.1.3 边界条件
• §2.1.4 时间步长及近邻原子表
• §2.1.5 正则系综的分子动力学模拟
• §2.2 原子间相互作用势
• §2.2.1 短程C和C相互作用势
• §2.2.2 LennardJones势
• 第三章 填充氦原子对SWNT的压缩性能的影响
• §3.1 引言
• §3.2 计算模型
• §3.3 结果与讨论
• §3.4 结论
• 第四章 氦在碳纳米管束中的吸附
• §4.1 引言
• §4.2 计算模型
• §4.3 计算结果及讨论
• §4.4 引言
• 第五章 总结
• 参考文献
• 发表论文目录
• 致谢