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目 录

摘 要 4

Abstract 5

1. 研究背景

1.1 碳纳米管简介 ………………………………………………………………………… 6

1.2 碳纳米管的结构………………………………………………………………………… 6

1.3 碳纳米管的制备 …………………………………………………………………… 7

1.4 碳纳米管的性能………………………………………………………………………… 8

1.4.1力学性能 ………………………………………………………………………… 8

1.4.2热学性能 ………………………………………………………………………… 8

1.4.3光学性能………………………………………………………………………… 8

1.4.4 吸附性能 ……………………………………………………………………… 9

1.5 碳纳米管研究现状 ……………………………………………………………………… 9

1.6碳纳米管振荡器研究现状……………………………………………………………… … 9

1. 分子动力学模拟基本理论

2.1分子动力学方法 …………………………………………………………………………9

2.2 分子动力学方法的基本原理 ………………………………………………………… 10

2.3碳纳米管振荡器的分子动力学模拟……………………………………………………10

2.4模拟软件Materials Studio 介绍 ………………………………………………………10

第三章 层间距不匹配的内外管分子动力学模拟.

3.1 初始结构及参数设置……………………………………………………………………11

3.1.1 初始结构………………………………………………………………………… 11

3.1.2 参数设置………………………………………………………………………… 15

3.2 数据处理与模拟结果…………………………………………………………………… 17

3.3 结论…………………………………………………………………………………… 18

第四章 探索外管固定情况下使内管弹出的管径差区间

4.1 初始结构及参数设置……………………………………………………………………19

4.2 数据处理与模拟结果……………………………………………………………………20

4.3 结论………………………………………………………………………………………20

第五章 纳米含能材料与弹射模型的弹射速度

5.1纳米含能材料………………………………………………………………………… 26

5.2弹射模型的弹射速度…………………………………………………………………27

第六章 总结与展望.

6.1 总结 …………………………………………………………………………………… 28

6.2不足与展望 …………………………………………………………………………… 28

参考文献 29

致 谢 31

附 录 32

管径不匹配的双壁碳纳米管振荡器的分子动力学模拟

孙天恩

摘要：从发现碳纳米管到现在，由于其巨大的价值和应用前景受到广大研究人员的关注。关于碳纳米管已有许多研究，研究其各个方面的性质。本文采用分子动力学模拟的方式在软件Materials Studio 4.0研究双壁碳纳米管系统的振荡特性。探索在外管固定内管自由，且内外管径不匹配情况下的振荡特性。本论文具体内容安排如下：

第一章，对碳纳米管进行了简略的介绍。重点介绍了碳纳米管的结构和性质。

第二章，介绍了分子动力学分及动力学方法的基本原理，因为本文使用的是分子动力学模拟方法，所以对碳纳米管振荡器的分子动力学模拟进行了重点介绍，并且简介了模拟软件Materials Studio 4.0。

第三章，研究了内管与外管不匹配的双壁碳纳米管的振荡特性，发现了随着内外管层间距的变小，碳纳米管的振荡频率先变小后变大。

第四章，探索了在外管直径增大的情况下，使内管弹出的内外管径差的区间。发现了无论外管的直径如何变化，使内管弹出的管径差临界值不变。

最后，简介了纳米含能材料，并通过对层间距小于临界值的双壁碳纳米管进行分子动力学模拟，探讨了双壁碳纳米管在纳米含能材料上的可能应用，并对本文进行了总结。

关键词：双壁碳纳米管振荡器；分子动力学；纳米含能材料。

Molecular dynamics simulations of the oscillations of mismatched double walled nanotube oscillators

Sun Tianen

School of Physics and Optoelectronics Engineering,NUIST,Nanjing 2100,China

Abstract: Since the discovery of carbon nanotubes so far, because of its excellent performance has attracted wide attention. On a large number of carbon nanotubes has been research. By using molecular dynamics simulation method in dynamics software Materials Studio 4 system of double wall carbon nanotubes, the outer tube is fixed in the inner tube free case, inner and outer diameter mismatch the oscillation conditions. The main contents of this thesis are as follows:

First of all, the carbon nanotubes are briefly introduced, and the structure and properties of carbon nanotubes are mainly introduced

Secondly, this paper introduces the basic principle of molecular dynamics and dynamics method, because this is the use of molecular dynamics simulation, so the molecular dynamics simulation of carbon nanotube oscillator is investigated in detail and introduces the simulation software of Materials Studio 4.0.

Thirdly, the dynamic characteristics of the double walled carbon nanotubes without matching the inner and outer tube spacing are studied. It is found that the oscillation frequency of the inner tube increases with the increase of the gap between the inner and outer tubes。

Then, under the condition that the outer tube is completely fixed, the inner and outer diameter difference of the inner tube is studied when the outer tube is fixed, and the dynamic characteristics of the double wall carbon nanotube under this condition are studied

Finally, the nano energetic materials, and discusses the double walled carbon nanotubes in the application of nano energetic materials. And summarizes the thesis.

Keywords: double walled carbon nanotubes; molecular dynamics simulation; nano energetic materials

第一章 绪 论

1.1 碳纳米管简介

90年代初，来自日本NEC公司的饭岛澄男，偶然地利用高分辨率透射电子显微镜发现了一种呈现管状同轴结构的碳分子，该碳分子被命名为碳纳米管^[1]。碳纳米管是一种优异的量子材料。在化学上作为金刚石以及石墨的异构体存在。碳纳米管是由碳六边型组成的单层或多层纳米级管状材料，是金刚石和石墨的碳异构体，如图1-1,碳纳米管的长度仅为微米级别，直径几到几十纳米，是理想的量子材料。

首次提出在实验室内对碳纳米管进行制备的流程，是由Ebbesen and Ajayan第一次提出^[2]自此以后由于碳纳米管的独特的力学、化学和电学等性能成为世界范围内的研究人员的新宠。

图1-1 碳的同素异形体

1.2 碳纳米管的结构

根据石墨烯片层数的卷曲层数的不同，碳纳米管可分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管^[3],如图 1-2所示，它们都纳米尺度下是具有完备的分子结构的新型碳材料。

图 1-2 （a）单壁碳纳米管，（b）多壁碳纳米管

单壁碳纳米管可以被认为是由一层石墨烯卷曲成的。由于石墨烯卷曲的方式不同，可将单壁碳纳米管分为三大类：锯齿型、扶手椅型和手性型碳纳米管,如图1-3。本文的模拟实验是在Materials Studio 4.0(简称MS)中进行的。在建立单壁碳纳米管的时候由整数对（n，m)决定的.

当m=0,n≠0时，构成的纳米管为锯齿型；

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