Ar掺杂碳纳米豆荚的压缩与拉伸力学特性

以C60富勒烯外部、C60富勒烯内部以及C60富勒烯内/外同时掺杂不同数量Ar原子的碳纳米豆荚为研究对象,采用分子动力学方法,模拟了这些碳纳米豆荚的压缩与拉伸过程,讨论了Ar掺杂形式、Ar掺杂量对纳米豆荚压缩与拉伸力学特性的影响。研究表明,Ar掺杂后,碳纳米豆荚的压缩力学特性有所改善,且Ar掺杂量多的压缩力学特性越好;C60富勒烯内部、外部同时掺杂Ar原子的纳米豆荚的承压能力最好,其次是C60富勒烯内部掺杂纳米豆荚,再次是C60富勒烯外部掺杂纳米豆荚;Ar掺杂形式、掺杂量对纳米豆荚的拉伸力学特性无显著影响。

碳、氮化硼纳米管与纳米豆荚的拉伸与压缩特性

采用分子动力学方法,模拟了(10,10)碳、氮化硼纳米管及纳米豆荚的轴向拉伸与压缩.根据模拟结果,讨论了它们拉伸与压缩力学特性的差异.研究表明:①碳纳米管及碳豆荚的拉伸失效为剪切破坏,而氮化硼管及氮化硼豆荚为拉断模式;②碳管及碳豆荚的拉伸性能无明显差异,均明显优于氮化硼管及氮化硼豆荚,氮化硼豆荚的拉伸性能优于氮化硼管;③碳管及碳豆荚的压缩失效形式为管壁的局部屈曲,而氮化硼管及氮化硼豆荚为管壁原子的重构;④碳与氮化硼纳米管,以及碳与氮化硼豆荚的压缩性能分别相当,但两种豆荚的压缩性能明显优于两种空纳米管.

C_(60)@(n,0)与C_(20)@(n,n)的组装与性质——纳米豆荚的量子化学计算与研究

采用从头计算法对锯齿豆荚管C60@(n,0)的结构与电子性质进行量子化学计算,结果表明,在由一条松散堆积的富勒烯链填充的纳米管之费米能级附近电子结构可以近似为这两个已发生固定相对位移组成部分电子结构的叠加.把这种固定的能带位移近似扩展到由一条密堆积C60链严格填充的(n,0)纳米管中,在电子性质方面会出现一种从半导体(n=17)到金属(n=18～19)的戏剧性变化.并且有报道C60填充(17,0)半导体纳米管所形成的导带上之精细双峰结构已被观察到.这种理论上最小的纳米豆荚其直径为1.064nm.

改进的紧束缚势蒙特卡罗方法及其在碳纳米豆荚中的应用

提出了改进的紧束缚势蒙特卡罗方法,通过减少计算紧束缚势能的原子数目,大大缩短了模拟计算时间.对平行纳米管联结的模拟测试结果表明,与原方法相比,改进方法的计算效率得到很大提高.将该方法成功地用于对大体系碳纳米豆荚的模拟研究,结果表明,在单壁碳纳米管内部,相对球面上存在空缺的富勒烯在2000K左右的温度下可以相互联结,否则,只有在4500K左右的高温下才能观测到富勒烯之间的联结;富勒烯在管中的相互取向对最终结果影响不大.

碳纳米豆荚的电子状态与电子特性——有关碳纳米管内嵌富勒烯的一些量子化学计算结果

本文提出了碳纳米管内嵌富勒烯形成碳纳米豆荚之电子结构及总能量的某些量子化学计算方法与结果,提供了有关碳纳米管内多种富勒烯内嵌热力学及内嵌所得碳纳米豆荚之电子结构。通过计算我们发现碳纳米豆荚的电子态依赖于碳纳米管内的空隙,并且这种空隙又反映了内嵌富勒烯的电子态。富勒烯的最低未占据态之能级以及富勒烯π态与碳纳米管内近自由电子态之间的杂化形成了碳纳米豆荚内多重载流子的电子特性。

碳纳米豆荚内C60分子的振荡行为

近年来C60分子与碳纳米豆荚组成的碳纳米豆荚的高频振荡行为受到了学术界的广泛关注,并有望在振荡器元器件等领域获得潜在应用。本工作基于分子动力学模拟方法,结合碳-碳多体势函数和Lennard Jones对势函数,对碳纳米豆荚中C60分子的振荡行为进行了模拟研究,并分别讨论了碳纳米管长度、直径及轴向预应力对碳纳米豆荚振荡性能的影响。研究结果表明,C60分子受到其与碳管间的长程范德华力及滑动摩擦力的作用,沿碳纳米管轴线方向做周期性往复振荡运动。碳纳米管长度和直径的增加均会导致C60分子振荡频率单调减小,且存在一个振荡发生的临界直径下限值;由于范德华力相互作用的影响,当直径较大时,C60分子将发生偏心振动,振荡轨迹偏离碳管轴线而贴近一侧管壁。轴向预应力对C60分子的振荡行为也有明显影响:随轴向拉伸预应力的增加,C60分子振荡频率单调减小;当轴向预应力为压应力时,C60分子振荡频率的衰减为分段线性模式,在越过临界压应力后急剧下降。这些研究结果将对基于碳纳米豆荚的高频振荡元器件的开发提供有益的指导与参考。

碳纳米豆荚内C_(60)分子振荡行为的模拟

利用AIREBO势函数、L-J势函数结合分子动力学模拟方法,对碳纳米豆荚中C60分子的振荡行为进行了模拟.分别讨论了环境温度、碳管管壁层数及C60分子填充个数对碳纳米豆荚振荡性能的影响.研究表明,C60分子沿着碳管轴向做阻尼振荡运动.随着温度升高,振荡频率逐渐减小,振幅衰减速度加快.增加碳管管壁层数使C60分子与管壁间的范德瓦耳斯力增大而滑动摩擦力减小,因而有益于形成稳定振荡.由于C60分子间受力随距离变化以及分子间存在碰撞,增加C60分子填充个数并不能观察到稳定振荡.

碳纳米豆荚的导热分析

本文利用AIREBO势函数、L.J势函数和Green-Kubo线性响应理论,结合分子动力学平衡方法模拟了碳纳米豆荚热导率。研究表明,C60分子的运动有益于能量传输,导致碳豆荚热导率高于空碳管。随着温度升高,碳豆荚热导率先减小后增大。随着长度增长,碳豆荚热导率逐渐增大,并趋于稳定收敛;而管径越大,热导率收敛速度越快,收敛长度越小。对于扶手椅型(n,n)碳豆荚,n≥11时,C_(60)分子存在明显径向平移运动。碳豆荚热导率随着管径变大先降低后升高。碳豆荚热导率随C_(60)填充率的增大而升高;但当填充率达到100%,因为此状态下C_(60)分子的轴向平移运动突然消失,导致碳豆荚热导率突降。