碳纳米管振荡器振荡特性的分子动力学模拟

 2022-01-17 11:01

论文总字数:19833字

目 录

摘 要 1

Abstract 2

第一章 绪 论 3

1.1碳纳米管的发现 3

1.2碳纳米管的结构 3

1.3碳纳米管的基本性质 4

1.4碳纳米管振荡器 5

第二章 分子动力学 5

2.1分子动力学 5

2.1.1分子力场 5

2.1.2分子动力学基本原理 5

2.2碳纳米管振荡器的分子动力学模拟 6

第三章 (6,0)(8,8)不同振幅的振荡特性 6

3.1搭建模型 6

3.2设置初始条件与模拟环境 10

3.3提取分子动力学轨迹,计算平均作用力 11

3.4通过平均作用力公式预测内外管等长纳米管振荡器的振荡周期 14

3.5 平均作用力模型的适用范围探讨 15

第四章 不同管径振荡器的受力拟合 16

4.1不同管径碳纳米管振荡器的分子动力学模拟 16

4.2数据处理 19

第五章 不同管径、不同振幅、不同内外管长振荡器振荡周期公式 20

第六章 内外管不等长的振荡器频率预测 21

6.1内外管不等长碳纳米管振荡器的分子动力学模拟 21

6.2理论预测与分子动力学结果对比 24

总 结 24

参考文献 26

致 谢 27

附 录 28

碳纳米管振荡器振荡特性的分子动力学模拟

王通

,China

Abstract:Through study of inner tube force of double-walled carbon nanotubes oscillator of different lengths, different amplitudes and different diameters, an analytical expression is given to predict oscillation frequency of double-walled carbon nanotube oscillator in this paper. First, investigate oscillation characteristics of double-walled carbon nanotube oscillator of the same diameter but different tube length, combined with theoretical derivation, average force of the inner tube in the process of oscillation is obtained, and the applied vibration amplitude range of average force formula is given. Next, we used the same theoretical model to predict oscillation period of double-walled carbon nanotubes of the same inner tube but different amplitudes, and compared with the period obtained by molecular dynamics simulation to verify the accuracy of the average force formula. Then, we simulated the oscillation characteristics of double-walled carbon nanotube oscillators of six different diameters, then changes in the relationship between average force of inner tube and tube diameter. Through the above steps, we obtain the analytical expression of force suffered by inner tube of carbon nanotube oscillator. Finally, we used the above formula to predict the oscillation period of double-walled carbon nanotube oscillators with different inner and outer tube length, and compared with the period obtained by molecular dynamics simulation, we tested the accuracy of average force theory and the frequency formula.
Keywords:
Double-walled carbon nanotubes oscillator; Oscillating characteristic; Molecular dynamics; analytical expression

第一章 绪 论

纳米科技在人们的生产生活中扮演着越来越重要的角色,可以说纳米科技产品随处可见,因此大多数人认为纳米科技正在带来一场新的科技革命。1980年以来,碳纳米管和石墨烯等碳纳米材料的研究促进了纳米科技的飞速发展。其中,碳纳米管在力学层面具有特别高的机械强度和弹性;在电学方面具有优良的导体和半导体特性。碳纳米管这些优异的特性使其在许多方面被广泛应用。

1.1碳纳米管的发现

1991年,日本科学家Lijima发现了碳纳米管。他在观察电弧蒸发后在石墨阴极上形成的硬质沉淀物时,通过电子显微镜意外发现沉淀物中含有一些针状物,这些针状物便是碳纳米管。

1.2碳纳米管的结构

自然界中含碳化合物的比例是最大的,至今已发现或者是人工合成的含碳化合物已经超过500万种。目前全部由碳原子组成的物质包括金刚石、石墨、碳纳米管等。石墨中碳原子通过SP2杂化轨道的方式与相邻的三个碳原子结合在一起形成六边形网状结构,这些平面网状结构在范德华力的作用下形成相互平行的平面,形成片层结构,就像一本书一样层叠。从结构上来说,碳纳米管通常被看作成是由一层或多层石墨片按照一定方向角卷曲而成的、半径为纳米级别的空心圆柱体。根据碳纳米管管壁所含石墨片层的多少,可以将碳纳米管分为三种。即单壁碳纳米管(Single-Walled Carbon Nanotubes,SWCNT)、双壁碳纳米管(Double-Walled Carbon Nanotubes,DWCNT)和多壁碳纳米管(Multi-Walled Carbon Nanotubes,MWCNT)。如图1-1为单层石墨片卷曲成碳纳米管示意图。[1][2][3]

图1-1 单层石墨片卷曲成碳纳米管示意图

单壁碳纳米管相当于是由单层石墨烯片按照一定方向角卷曲而成。根据手性角的不同,也可以将单壁碳纳米管分成锯齿型、扶手椅型和手性型三种,其结构如图1-2所示。

图1-2 a锯齿型 b扶手椅型 c手性型

多壁碳纳米管可以看成是由两层以上的石墨烯片卷成的同心圆柱,层数可以从两层到十几层(两层为双壁碳纳米管),其外径一般从几纳米到十几纳米,长度从几微米到十几微米,甚至可以达到毫米级别,如图1-3所示,多壁碳纳米管层间距离约为0.34nm。[5]

图1-3 多壁碳纳米管结构

1.3碳纳米管的基本性质

作为碳的一种同素异形体,碳纳米管具有许多和其他物质一样甚至更好的特性,甚至一种性质的两个极端。碳纳米管中碳原子以C-C共价键方式结合在一起,六边形网格结构围绕管轴按照一定顺序,形成闭合的空间系统。这种结构赋予碳纳米管许多石墨的平面性质:耐腐蚀、耐热、传热和导电性好等。[6]

力学方面,相对于体材料而言,碳纳米管的缺陷密度要小很多,其力学强度远大于宏观材料,弹性模量与金刚石差不多,抗拉强度是钢的100倍,但不可思议的是其重量比钢轻六分之一。磁学方面,碳纳米管优良的电磁特性可制作电磁开关,从而广泛应用于航天器等领域中。电学方面,碳纳米管是一种非常有研究价值的近乎完美的超级电容器电极材料,目前以碳纳米管为电极材料的超级电容器的质量比功率已超过8000 Wkg-1,将来很有可能作为电动汽车的启动电源。碳纳米管还在许多方面(如储氢)具有优异特性和应用价值。[6][11]

1.4碳纳米管振荡器

2002年,Zheng和Jiang发明碳纳米管振荡器,他们将碳纳米管两端打开制作成振荡器这个发明是一个具有划时代意义的事件。从此以后,很多科学家便开始从不同方向研究碳纳米管振荡器的振荡特征。2003年,Guo等人研究双壁壁碳纳米管振荡器的能量耗损情况,发现对称双壁碳纳米管在振荡过程中的能量损耗远大于非对称双壁碳纳米管,并且温度越高,能量耗损值就越大,能量损耗过程中振荡频率越来越大,振幅越来越小。2007年,Cox研究C60和单壁碳纳米管组成的振荡器,发现C60在单壁碳纳米管内的振荡频率可以达到几万兆赫。2009年,Neild为了实现低阻尼的双壁碳纳米管振荡器,给其内管施加周期性的力。[4][9][10]

多壁碳纳米管振荡器的原理:以双壁碳纳米管振荡器为例,内管拉出后,内管会受到碳纳米管间范德瓦尔斯力,释放后自动缩回到原来位置,在此过程中,内管的势能不断的转化为动能,完全缩回到原来位置时内管的势能全部转换为动能并且速度达到最大值,然后由于内管具有速度所以会继续朝双壁碳纳米管的另一端运动,到达最大位置时内管动能就会全部转化为势能,又会继续反向自动缩回,然后持续不断往返运动,形成一个振荡器。由于内外管间的范德华力的作用,在振荡的时候会存在能量的耗损,与此同时振荡器的振幅也将逐渐衰减。[5][7]

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