Моделирование механических свойств многослойных углеродных нанотрубок

• Автор: Ньи Ньи Лайнг
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Калуга
• Количество страниц: 139 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. ОБЗОР СОСТОЯНИЯ СОВРЕМЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
1.1. Структура углеродных нанотрубок
1.2. Синтез нанотрубок
1.3. Применение нанотрубок
1.4. Методы расчета, измерения и анализа механических и упругих свойств нанотрубок
ГЛАВА 2. МОДЕЛИ И МЕТОДЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ
МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК
2.1. Особенности применяемых моделей
2.1.1. Квантово-механическая модель
2.1.2. Континуальная модель
2.1.3. Конечно-элементная модель
2.1.4. Молекулярно динамическая модель
2.1.5. Сравнительный анализ эффективности различных
моделей
2.2. Разработка методологии квазидинамического моделирования
ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ
МНОГОСЛОЙНЫХ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК
3.1. Методические особенности и параметры моделирования
3.2. Особенности напряженно-деформационного состояния однослойных углеродных нанотрубок
3.3. Моделирование напряженно-деформационного состояния двухслойных углеродных нанотрубок
3.4. Моделирование напряженно-деформационного состояния трехслойных углеродных нанотрубок

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ИОННОГО ОБЛУЧЕНИЯ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МНОГОСЛОЙНЫХ
УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК
4.1. Методические особенности и параметры моделирования
4.2. Анализ влияния ионной бомбардировки на структуру многослойных углеродных нанотрубок
4.3. Исследование влияния радиационных дефектов многослойных ' нанотрубок на их механические характеристики
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
ЛИТЕРАТУРА

ВВЕДЕНИЕ
Имеющиеся экспериментальные данные свидетельствуют об уникальных механических свойствах углеродных нанотрубок. Их жесткость оказывается сравнимой с жесткостью алмаза, в то время как их прочность, на порядок превышает показатели, присущие лучшим сортам стали. Более того, при упругой и неупругой деформациях, углеродные нанотрубки могут поглощать большое количество энергии. Отмеченные физические-характеристики позволяют рассматривать углеродные нанотрубки в качестве перспективной основы для разработки новых высокопрочных, термоустойчивых и энергоемких композиционных материалов. Очевидны трудности экспериментального исследования углеродных нанотрубок. При теоретическом анализе, с учетом множественной природы взаимодействий атомов углеродной нанотрубки, исследователи вынуждены прибегать к компьютерному моделированию. Компьютерное моделирование в настоящее время уверенно завоевало статус самостоятельного метода исследования. Научный анализ многих проблем в самых разнообразных областях естествознания и техники проводится на основе хорошо апробированных компьютерных методах и разработанного программного обеспечения. Такие универсальные вычислительные инструменты, как метод конечных элементов и методы молекулярной динамики с успехом применяются для анализа физических свойств углеродных нанотрубок. В настоящее время углеродные нанотрубки удается синтезировать многими способами. Результаты недавних' экспериментальных , исследований позволили установить, что при использовании наиболее распространенных способов получения углеродных нанотрубок, например, на основе разрядно-дугового метода или метода химического осаждения из пара, образующиеся нанотрубки имеют преимущественно многослойную структуру. Однако, как

длина нанотрубки, отсчитанная от точки фиксации (мм), у — смещение наконечника нанотрубки (мм), / - поперечный момент инерции нанотрубки (мм4). Найденный таким образом параметр Еч называется "кажущимся модулем Юнга", поскольку при его определении не учитывается искажение структуры нанотрубки при изгибе. При нагрузке 6,6 нН на наконечник нанотрубки диаметром 20 нм, полученной электродуговым методом, смещение оказалось равным 88 нм, что соответствует величине кажущегося модуля Юнга 3,3 ТПа. Измерения, выполненные для других типов УНТ, указывают на эффект снижения модуля Юнга по мере снижения степени-кристалличности их структуры, которая характеризуется отношением интенсивности пика комбинационного рассеяния (КР) на частоте 1350 см'1 к интенсивности пика на частоте 1580 см'1. Значения модуля Юнга УНТ, измеренные различными авторами, приведены в табл. 5.
Таблица 5.
Экспериментальные значения модуля упругости УНТ
№ Е, ТПа Объект Метод Примечания

1 1,3 ±0,45 Однослойные УНТ Частота колебаний
2 0,81±0,41 Многослойные УНТ, синтезированные электродуговым методом Упругая деформация
3 0,027 Многослойные УНТ, синтезированные методом СУЭ Упругая деформация Сильно разупорядочен-ная структура
4 1,8±0,9 Многослойные УНТ Тепловые колебания 300<Г<1 Т=100К; отмечена тенденция роста Е с уменьшением диаметра УНТ
5 1,28±0,59 Многослойные УНТ диаметром 26-76 нм Частота колебаний