碳納米管組裝納米新材料的物理特性研究.pdf

1、1991年Iijima等人在實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)了一種稱之為碳納米管的新型納米材料。這一發(fā)現(xiàn)開啟了一個(gè)納米研究領(lǐng)域內(nèi)理論和實(shí)驗(yàn)雙方面的研究熱潮。眾多的研究結(jié)果表明納米管具有極其良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性,并且作為一種低緯度材料其軸向上的硬度可堪與鉆石的硬度相比較。實(shí)驗(yàn)和理論上測(cè)得的碳納米管軸向楊氏模量達(dá)到了驚人的Tpa量級(jí)。這些性質(zhì)昭示了碳納米管可作為新一代納米電學(xué)和力學(xué)器件材料而具有廣泛的應(yīng)用前景。其中,Cumirigs和zett1發(fā)明了由兩個(gè)單壁碳納米

2、管套合而成的雙壁碳納米管(DWCNTs)以制造高速低耗損納米活塞。這一發(fā)明引起了人們很大的興趣,大量的人力物力被投入到了該項(xiàng)研究中。針對(duì)活塞相對(duì)平移運(yùn)動(dòng)中的滑動(dòng)摩擦和能量耗散的理論工作取得了諸多可喜的研究成果。同時(shí),實(shí)驗(yàn)上也開始了對(duì)雙壁碳納米管轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)的研究。而相較于眾多的關(guān)于雙壁碳納米管平移運(yùn)動(dòng)摩擦力的理論研究成果,在雙壁碳納米管轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦研究這一領(lǐng)域仍留有許多問題有待人們探索。最近幾年,金屬團(tuán)簇粒子被成功的填充入碳納米管中,這使得在碳

3、管中填充生長(zhǎng)穩(wěn)定的金屬納米線成為了可能。這種結(jié)合金屬納米線和碳納米管的新型組裝材料預(yù)示了在納米材料這一領(lǐng)域許多新的未知的可能性。填充金屬納米線在改變碳納米管材料性質(zhì)的同時(shí)自身的物理化學(xué)性質(zhì)也有可能發(fā)生變化。而這種材料性質(zhì)的變化可能由填充碳納米管來(lái)控制。填充金屬納米線在碳管中的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)以及熔點(diǎn)就是本論文工作的另兩個(gè)主要的研究?jī)?nèi)容。本文首先介紹了基于Brenner多體經(jīng)驗(yàn)勢(shì)和Lennard-Jones(LJ)對(duì)勢(shì)的分子動(dòng)力學(xué)模擬雙壁碳納米管

4、的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)及其過(guò)程中的摩擦研究。然后在引入Finnis-Sinclair半經(jīng)驗(yàn)勢(shì)來(lái)描述碳納米管中的Au-Au原子相互作用后,我們研究了利用金團(tuán)簇填充在碳管中生長(zhǎng)金納米線的相關(guān)研究。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步對(duì)在碳管中的金納米線的熔化過(guò)程進(jìn)行了定量研究。具體研究?jī)?nèi)容和結(jié)論如下:
　　1.我們用分子動(dòng)力學(xué)模擬方法模擬了雙壁碳納米管的內(nèi)外管相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)過(guò)程,并測(cè)算了在其過(guò)程中的摩擦力大小。整個(gè)過(guò)程中的熱損耗是本工作的重點(diǎn)研究問題。計(jì)算模型

5、中的內(nèi)管直徑的變化范圍為6A到16A:外管直徑的變化范圍為12(A)到20(A)。最小轉(zhuǎn)動(dòng)頻率為O.01rotations/ps,最大轉(zhuǎn)動(dòng)頻率為0.25rotations/ps。模擬結(jié)果顯示轉(zhuǎn)動(dòng)中的能量耗散也即系統(tǒng)升溫在固定轉(zhuǎn)速下與時(shí)間成正比。對(duì)于(15,0)@(23,0)Zigzag碳納米管組成的管組來(lái)說(shuō),當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率為每ps0.05圈時(shí)測(cè)得的能量耗散率為每轉(zhuǎn)0.59meV/atom左右。這時(shí)的相應(yīng)的平均摩擦力大小為1.75×10-5n

6、N/atom。進(jìn)一步的研究關(guān)于組成納米轉(zhuǎn)軸的內(nèi)外管間距離以及內(nèi)外管間相互接觸面積對(duì)于轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦的影響,表明相同條件下當(dāng)內(nèi)外管間距接近0.34nm時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦力最小,同時(shí)這也是LJ勢(shì)能的平衡距離。雙壁碳納米管轉(zhuǎn)軸具有高速低損耗的優(yōu)點(diǎn),作為納米轉(zhuǎn)軸而言有著廣闊的應(yīng)用前景。
　　2.我們用Finnis-Sinclair半經(jīng)驗(yàn)勢(shì)模擬研究了Au13,Au55和Au147二十面體團(tuán)簇在不同直徑的單壁碳納米管中融合的動(dòng)力學(xué)過(guò)程。研究主要包括由團(tuán)簇而

7、成為納米線的三個(gè)主要過(guò)程,分別是:單個(gè)團(tuán)簇由外而內(nèi)的進(jìn)入納米管的過(guò)程,在納米管中兩個(gè)團(tuán)簇的融合過(guò)程,團(tuán)簇融合之后到形成穩(wěn)定納米線結(jié)構(gòu)的過(guò)程。研究結(jié)果顯示只要碳納米管的半徑大于團(tuán)簇半徑0.3nm以上,金團(tuán)簇就能自由無(wú)障礙的進(jìn)入碳管。團(tuán)簇在碳管中的方位角由C-Au相互作用決定并有利于團(tuán)簇在碳管中的融合。融合之后的團(tuán)簇原子會(huì)重新排列以形成圓柱對(duì)稱的層型結(jié)構(gòu)納米線。根據(jù)納米管半徑的不同,形成的納米線可能為7度對(duì)稱或6度對(duì)稱以及其他對(duì)稱度的結(jié)構(gòu)。

8、細(xì)管中的納米線呈螺旋狀層型納米線,當(dāng)管半徑比較大時(shí)管中納米線結(jié)構(gòu)會(huì)偏向于面心立方(fcc)結(jié)構(gòu)。本文討論了這些結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性并詳細(xì)分析了由多個(gè)團(tuán)簇融合形成的納米線結(jié)構(gòu)。并由此找到了納米管半徑與其中納米線結(jié)構(gòu)間的幾何關(guān)系。利用這種關(guān)系可以成功預(yù)判納米管中所形成的納米線結(jié)構(gòu)。以上這些結(jié)果揭示了通過(guò)向一定半徑的碳納米管中注入金團(tuán)簇實(shí)現(xiàn)可控生長(zhǎng)金納米線的可能性。
　　3.本工作最后研究了在納米管中的金納米線熔化的物理過(guò)程,細(xì)致的分析了碳納米