论文总字数：16208字

目 录

摘要 4

Abstract 5

第一章 绪论 6

第二章 碳纳米管的结构与特性 6

2.1 碳纳米管的分类 6

2.2 碳纳米管的特性 8

2.2.1 力学性能 8

2.2.2 光学性能 8

2.2.3 电学性能 9

2.2.4 热学性能 9

2.3 碳纳米管的制备 9

2.4 研究目的与现状 9

第三章 分子动力学模拟 10

3.1 分子动力学简介 10

3.2 分子动力学原理 10

第四章 管径匹配的纳米管振荡器分子动力学模拟 12

4.1 模型的搭建 12

4.2 初始条件和模拟环境的设置 14

4.3 数据处理与分析 15

第五章 管径不匹配的纳米管振荡器振荡特性 20

5.1 管的选择与模拟环境设置 20

5.2 管径差大于3.4Å时振荡特性的分析 20

5.3 管径差小于3.4Å时振荡特性的分析 23

第六章 探求使内管弹出外管的管间距 25

6.1 新问题的出现 25

6.2 探求使内管弹出外管的管间距区间 26

第七章 总结与展望 28

参考文献： 29

致谢 30

管径不匹配纳米管振荡器的分子动力学模拟

蔡书冬

,China

Abstract：Carbon nano oscillators have been widely studied since their discovery, and their oscillation characteristics have been applied in many aspects. Previously people's research mainly focused on the oscillation characteristics when the inner and outer tube diameters were matched. However, this paper mainly introduced the oscillation characteristics of carbon nano-oscillators when the tube diameters do not match. The following are the main contents of this article:

The first chapter introduces the knowledge of carbon atoms and the history of the discovery of carbon nanotubes.

In the second chapter, the type, characteristics and preparation of carbon nanotubes are introduced. At the same time, the current research status of carbon nanotubes is analyzed and the focus of this study is elaborated.

Chapter 3 introduces the knowledge of molecular dynamics and briefly explains its principle.

Chapter 4: Molecular dynamics simulation of a carbon nanotube oscillator under a standard pipe diameter to obtain an image of its oscillation characteristics.

Chapter 5: Explore the oscillation characteristics when the pipe diameter is greater than 3.4 Å and less than 3.4 Å, and find that when the pipe diameter is greater than 3.4 Å, the internal oscillatory cycle gradually becomes larger with the increase of the pipe diameter; when the pipe diameter is less than 3.4 When Å decreases, the cycle becomes larger and larger and larger.

Chapter 6: Explored the diameter of the inner tube that flew out of the outer tube when the diameter of the inner and outer tubes was small enough.

Chapter 7 summarizes the experimental results and points out the deficiencies.

Keywords: carbon nano-oscillator molecular dynamics pipe diameter

第一章 绪论

碳元素（Carbon）广泛存在于自然界中，很早就被人们熟知，自然产生的碳有三种同位素：和为稳定同位素，而则有放射性。其有多种同素异形体，主要有石墨、金刚石以及无定形碳，这些同素异形体的物理性质（外表、硬度、电导率等等）具有很大差异，例如金刚石具有很大的硬度，而石墨却很柔软。由于碳元素在地球上极其丰沛，化合物种类又很繁多，因此碳元素具有很大的研究价值。

图1.1 碳的同素异形体

碳纳米管（Carbon Nanotube，缩写CNT）是由日本化学家饭岛澄男在使用电弧法生产的碳纤维时，用高分辨透射电子显微镜在实验过程中发现的。碳纳米管的名称也有一定的来源，从图中可以看出它是由许多的六边形组成的，形状是长管状的，这是因为管上的碳原子之间采取的都是杂化，然后以碳-碳σ键以及Π键进行结合。[1]

第二章 碳纳米管的结构与特性

2.1 碳纳米管的分类

碳纳米管主要可以分为两种，其中单层的直径在1-6nm间的被称为单壁碳纳米管(single-walled carbon nanotubes 缩写SWCNTs)，；由层数在2-50层的多个碳纳米管组成的被称作多壁碳纳米管(multi-walled carbon nanotubes 缩写MWCNTs)，它的层与层之间的距离大约为0.34nm，如图2.1.1、图2.1.2所示。[1]

单壁碳纳米管有以下几个特点，它的直径较统一，没有什么缺陷，其由单层石墨烯卷曲而成，在石墨烯片层卷曲的时候，悬挂键会进行随机结合，从而单壁碳纳米管就有了三种不同的类型，如图2.1.3所示

锯齿型(Zigzag)碳纳米管：

螺旋型(Chiral)碳纳米管：

扶手椅型(Armchair)碳纳米管：

图2.1.1 单壁碳纳米管 图2.1.2 多壁碳纳米管

图2.1.3 扶手椅型 锯齿型 螺旋型

多层石墨片卷曲就形成了多壁碳纳米管，它的层与层之间的间距大致为3.4Å，，因为间距为0.34nm时碳纳米管的结构最为稳定但是各层的碳纳米管并不一定是同一种类型的。多壁碳纳米管比单壁碳纳米管存在更多的各种各样的缺陷，从而会形成一些不规则的、不均匀的管壁。[1]

2.2 碳纳米管的特性

碳纳米管的独特的分子结构决定了它必定会具有一些特性，碳纳米管六边形结构连接完美，结构完善，规模小，强度高，密度低，硬度高，因此具有十分优异的力学，光学，电学，热学等性能。[2]

2.2.1 力学性能

碳原子之间的化学键使得碳纳米管具有优异的力学性能，碳纳米管中的碳原子采取杂化，这样碳纳米管的强度和模量就会相对变高。虽然碳纳米管与金刚石相比而言，硬度是差不多的，但是却有着不一样的柔韧性，碳纳米管要比金刚石在柔韧性方面优异的多，所以它可以进行拉伸。决定强度的一个重要性质就是长径比（长度与直径的比值），碳纳米管的长径比够突破到1000:1，甚至比这个还要更高，所以成为了一种高强度材料。[3]碳纳米管的杨氏模量模量为1TPa左右，与金刚石的杨氏模量差不多。莫斯科大学的研究员曾将碳纳米管置于Pa的水下，碳纳米管由于巨大的压力被压扁，随后又撤去了压力，碳纳米管又恢复了原状，表现了极好的柔韧性。[4]

2.2.2 光学性能

碳纳米管已被证实拥有优良的场发射性能，是因为碳纳米管直径小、具有相当高的长径比、结构稳定、导电性能突出。与此同时碳纳米管又具有较细的管径，C-C键结合相当稳定，所以可以维持长时间工作，这使碳纳米管具有独有的巨大优势。[1]碳纳米管同样能进行光电效应，如图2.2.1所示电子吸收了一定能量会发射出光子并在不同的能级间进行跃迁。[1]这种将太阳能转换成电力的方式更加有效，所以碳纳米管可以制作出更加高效的太阳能电池。

图2.2.1 碳纳米管光电二极管

2.2.3 电学性能

碳纳米管上的p电子构成大规模的离域Π键，因于共轭效果显著，所以具有良好的电学性能。主要是管壁上杂化的碳六边形石墨烯网络结构构成成键结构，碳纳米管又具有特殊的管状结构，所以Π电子在其上高速移动。[2]这种与众不同的结构使得碳纳米管可以用于量子导线和晶体管等的制作。[2]

2.2.4 热学性能

碳纳米管如同金刚石、石墨一样，具有良好的导热性能。因为碳纳米管的长径比大，所以其导热性能在轴向和径向上有着不同的特性，轴向上的导热性能要比径向上的好得多。[5]所以在制作热传导材料的时候可以掺杂碳纳米管以达到各向异性的效果。

2.3 碳纳米管的制备

由于碳纳米管具备如此多的优异性能，所以它的制备方法也成了研究的一个重点。

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