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博士学位论文碳纳米管的等效弹性参量与膳曲行为分予动力学模拟研究 碳纳米管的等效弹性参量和屈曲行为分子动力学模拟研究 摘要 碳元素奇异独特的物性和多种多样的形态逐渐被人们发现、认识和 利用。石墨电极的应用、碳纤维复合材料的开发、金刚石薄膜的推广等 都极大推动了人类文明的进步。碳纳米管被发现以后，理论推测和实验 研究都证明其具有超高的强度、刚度和韧性以及特异的电学性质。在纳 米机械、纳米复合材料等领域的应用前景不可估量，这迫切要求对碳纳 米管的基本力学性能和形变机理有更深入的了解。 本文以碳纳米管作为研究对象，选用的研究方法为分子动力学方法。 该方法将碳纳米管看成单个原子的集合体，以单个原子为研究对象建立 运动方程，通过求解每个原子的运动轨迹获得碳纳米管结构的变形行为。 分子动力学方法可以通过计算机再现碳纳米管在各种真实环境中的动态 变化过程，提供碳原子运动和碳碳键合力变化的细节，从而揭示碳纳米 管变形的微观机理。分子动力学方法对于研究碳纳米管的力学行为具有 不可替代的优势。 本文采晨分予动力学方法模拟研究了碳纳米管在各种荷载作用下的 变形屈曲行为。加载形式包括轴压、扭转、外压三种简单荷载，以及轴 压和外压、轴压和扭转、轴压和热荷载三种复合荷载。分析了碳纳米管 的内力和势能随应变的变化，给出了不同加载形式下的变形形式和屈曲 模态，重点研究了温度变化对屈曲和后属蓝行为的影响，并讨论了碳纳 米管的几何特性对屈曲行为的影响。针对碳纳米管基本力学参量的研究 尚未形成共识，本文把分子动力学的模拟结果和高阶剪切壳体理论相结 腰缝 博士学位论文碳纳米管的等效弹性参量与屈曲行为分子动力学模拟研究 合，完全确定了单壁和双壁碳纳米管的等效弹性参量。 在简单荷载作用下的屈曲行为研究中，详细记录了碳原子间的作用 力和应变能随应变的变化，分析了屈曲前后变化规律的改变，给出了碳 纳米管的典型屈曲模态，并对三种荷载作用下的不同力学行为进行了横 向比较。得出温度对轴压、扭转和外压的屈曲行为产生不同程度的影响， 碳纳米管的屈曲行为依赖于长度和半径而变化，范德华力也对扭转和外 压后屈曲行为产生一定影响，而对轴压后屈曲行为的影响可以忽略。 在复合荷载作用下的屈曲行为研究中，分析了不同加载比例下，碳 纳米管内力应变曲线的变化，以及变形模式的改变。将复合荷载作用下 的力学行为与简单加载情况进行了对比。讨论了碳纳米管的几何特性对 屈曲行为的影响。对于轴压和外压以及轴压和扭转的加载形式，给出了 临界关系曲线。在轴压和扭转复合荷载作用下，得出温度升高会引起临 界荷载和后屈曲路径的下降。在轴压和热荷载共同作用下，发现高温下 碳原子的热振动，将导致较小半径锯齿型碳纳米管的临界屈曲温度大幅 降低。 根据分子动力学模拟结果，发现碳纳米管在较高温度下具有良好的 自修复功能，能够自动修复因碳碳键断裂在管壁上造成的大缺口，修复 好的缺口经常转换成s t o n e w a l e s 结构的形式。 针对碳纳米管基本力学参量的研究结果尚未统一及以前研究工作中 存在的不足，将碳纳米管等效成正交各向异性的圆柱壳体，把分子动力 学的模拟结果和高阶剪切壳体理论相结合，唯一确定了单壁和双壁碳纳 米管的等效弹性参量。根据不同温度下的分子动力学模拟结果，得出杨 氏模量随温度的升高而降低。当温度小于7 0 0 k 时，剪切模量随温度升高 而增大；当温度大于7 0 0 k 时，剪切模量基本维持不变。在高阶剪切壳体 理论中采用本文得出的等效弹性参量，结果表明连续介质理论的计算结 脒缝 博士学位涂义碳缠繁的等效弹牲参量与鼹曲行为分号动力学模羧獗究 采和分子动力学模拟结果吻合良好。 本文在碳纳米管力学行为的研究领域给出了大量首次发表的研究成 采，对于揭示碳纳米管的力学响应规律具有重要意义，有助于推动碳纳 米管增强纤维复合材料和各种纳米机械的研究应用。本文的研究成果也 为连续介质理论在纳米尺度下的应用奠定了理论基础。 关键词：单壁碳纳米管，双壁碳纳米管，热效应，复合荷载，热荷载，屈 曲，后屈曲，等效弹性参量 腰缎 博士学位论文 碳纳米管的等效弹性参量与屈曲行为分子动力学模拟研究 m o l e c u l a rd y n a m i c ss i m u l a t i o no fe f f e c t i v e e l a s t i cp r o p e r t i e sa n db u c k l i n gb e h v i o ro f c a r b o nn a n o t u b e s a b s t r a c t t h eu n i q u ep h y s i c a lp r o p e r t i e sa n dm a n yk i n d so fc o n f i g u r a t i o n so fc a r b o ne l e m e n t h a v eb e e ng r a d u a l l yd i s c o v e r e d ，u n d e r s t o o da n du s e d t h ed e v e l o p m e n to fo u r s o c i e t yh a s b e e ng r e a t l ya c c e l e r a t e db yt h ea p p l i c a t i o no fg r a p h i t ee l e c t r o d e s ，t h ee x p l o r a t i o no f c o m p o s i t e sb a s e do nc a r b o nf i b r e ，d i a m o n df i l m s ，e t c t h e o r e t i c a lp r e d i c t i o n sa n d n u m e r o u se x p e r i m e n t sh a v es h o w n h i i g hs t r e n g t h ，r i g i d i t ya n dt o u g h n e s sa sw e l la ss p e c i a l e l e c t r i c a lp r o p e r t i e sf o rc a r b o nn a n o t u b e s ( c n t s ) s i n c et h e yw e r ef i r s tr e p o r t e d n a n o t u b e s a r ec o n s i d e r e dt ob et h em o s tp r o m i s i n gm a t e r i a l so f a p p l i c a t i o n si nn a n o - e n g i n e e r i n ga n d n a n o - c o m p o s i t e s ，w h i c hr e q u i r e sac l e a ru n d e r s t a n d i n go ft h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n d d e f o r m a t i o nm e c h a n i s mo fc n t s i nt h i s p a p e r , t h em o l e c u l a rd y n a m i c s ( m d ) m e t h o di su s e dt oi n v e s t i g a t et h e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fc a r b o nn a n o t u b e s i nt h em ds i m u l a t i o n s ，t h en a n o t u b ei s c o n s i d e r e da sac o n g e r i e so fi n d i v i d u a la t o m s ，t h em o v e m e n te q u a t i o n sa r ee s t a b l i s h e df o r e v e r ya t o m ，a n dt h ed e f o r m a t i o nb e h a v i o ro fn a n o t u b e sc a nb ed e t e r m i n e db yt h e t r a j e c t o r i e so fe a c ha t o m t h u s ，t h ed y n a m i c sp r o c e s si nr e a l i s t i ce n v i r o n m e n t si s r e p r e s e n t e dw i t hm dm e t h o d s d u et ot h em i c r o s c o p i cu n d e r s t a n d i n go fd e f o r m a t i o n m e c h a n i s ma n di n t r i n s i cd e s c r i p t i o no fc h a r a c t e r i s t i c so fas t r u c t u r e ，t h em dm e t h o dp l a y s a ni m p o r t a n tr o l ei nt h es t u d yo nt h em e c h a n i c a lb e h a v i o ro fc n t s t h i sp a p e rd e a l sw i t ht h ed e f o r m a t i o na n db u c k l i n gb e h a v i o ro fc a r b o nn a n o t u b e s u n d e rm e c h a n i c a ll o a d sb yu s i n gm dm e t h o d s 。t h es i m p l el o a d sc o n s i d e r e da r ea x i a l c o m p r e s s i o n ，t o r s i o na n de x t e r n a lp r e s s u r e ，a n dt h ec o m b i n e dl o a d si n v o l v es i m u l t a n e o u s a c t i o n so fa x i a lc o m p r e s s i o na n de x t e r n a lp r e s s u r e ，a x i a lc o m p r e s s i o na n d t o r s i o n ，a sw e l l i v 脒缝 博士学位论文碳纳米管的等效弹性参量与屈曲行为分子动力学模拟研究 a sa x i a lc o m p r e s s i o na n dt h e r m a ll o a d t h em dm e t h o di su s e dt od e t e r m i n et h e p o s t b u c k l i n ge q u i l i b r i u mp a t h s , t h ev a r i a t i o no fe n e r g i e sw i t hs t a i na n dt h et y p i c a l b u c k l i n gm o d e s i nt h e s es t u d i e sw ef o c u so nt h ee f f e c to ft e m p e r a t u r ev a r i a t i o no nt h e b u c k i n ga n dp o s t b u c k l i n gb e h a v i o ro fn a n o t u b e s s i m u l a t i o n sr e s u l t s a l s os h o wt h e b u c k l i n gl o a d sa r es t r o n g l ys i z ed e p e n d e n t b a s e do nac o m p a r i s o no fc o m p u t a t i o n a l r e s u l t sw i t ht h eh i g h e ro r d e rs h e a rd e f o r m a t i o ns h e l lt h e o r y , t h ee f f e c t i v ee l a s t i cp r o p e r t i e s o f s i n g l e - a n dd o u b l e - w a l l e dc a r b o nn a n o t u b e s ( s w c n t sa n dd w c n t s ) s a r ed e t e r m i n e d f o rt h eb u c k l i n go fs w c n t su n d e rs i m p l el o a d s ，t h ea t o m i ci n t e r a c t i o n sa n ds t r a i n e n e r g i e si nb o t hs t a t e so fb e f o r ea n da r e rt h ec r i t i c a lp o i n ta r em o n i t o r e da n dr e c o r d e d d u r i n gt h em ds i m u l a t i o n s t h r e et y p i c a lb u c k l i n gm o d e su n d e rd i f f e r e n tl o a d sa r e p r e s e n t e d a c c o r d i n gt oc o m p r e h e n s i v en u m e r i c a lr e s u l t s ，d i f f e r e n c e so fb u c k l i n ga n d p o s t b u c k l i n gp r o p e r t i e su n d e ra x i a lc o m p r e s s i o n ，t o r s i o n a n dr a d i a l p r e s s u r e a r e i n v e s t i g a t e di nd e t a i l m dr e s u l t sr e v e a lt h eb u c k l i n gb e h a v i o ro fs w c n t sd e p e n d s s t r o n g l yo nt h et e m p e r a t u r e ，w h i l et h ee f f e c to ft e m p e r a t u r ev a r i e sw i t ht h el o a d i n g c o n d i t i o n s t h er e s u l t sa l s os h o wt h a tt h eb u c k l i n gl o a d sa r cs i z ed e p e n d e n t t h ea d d i t i o n a l v a nd e rw a a l sf o r c e sw i l la f f e c tt h ep o s t b u c k l i n ge q u i l i b r i u mp a t h si nc a s e so ft o r s i o na n d e x t e r n a lp r e s s u r e ，a n dt h ee f f e c to fv a nd e rw a a l si n t e r a c t i o n so nt h ep o s t b u c k l i n gb e h a v i o r o fs w c n t su n d e ra x i a lc o m p r e s s i o nc a nb en e g l i g i b l e f o rt h eb u c k l i n go fs w c n t su n d e rc o m b i n e dl o a d s ，t h ei n t e r n a lf o r c e - s t a i nc u r v e s a n dd e f o r m a t i o np a r e m sa r ee x a m i n e dw i t hv a r i o u sv a l u e so fl o a d p r o p o r t i o n a lp a r a m e t e r t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e su n d e rc o m b i n e dl o a d sa r ec o m p a r e dw i t ht h o s eu n d e r c o r r e s p o n d i n gp u r el o a d s i ti sf o u n d t h a tt h eb u c k l i n gb e h a v i o ro fs w c n t ss u b j e c t e dt o c o m b i n e dl o a d si sa l s os t r o n g l ys i z ed e p e n d e n t t h ei n t e r a c t i o nb u c k l i n gc u r v e sa r e o b t a i n e df o rn a n o t u b e su n d e rc o m b i n e dl o a d i n gc a s eo fa x i a lc o m p r e s s i o na n de x t e r n a l p r e s s u r e ，a s w e l la sa x i a lc o m p r e s s i o na n dt o r s i o n t h ee f f e c to ft e m p e r a t u r eo n m e c h a n i c a lb u c k l i n go fs w c n t su n d e rc o m b i n e da x i a lc o m p r e s s i o na n dt o r s i o na r e s i g n i f i c a n t r i s e i nt e m p e r a t u r er e s u l t si nd e c r e a s eo fi n t e r a c t i v eb u c k l i n gl o a d sa n d p o s t b u k l i n ge q u i l i b r i u mp a t h s i ti sw o r t h yt of o u n dt h a t ，f o rs w c n t ss u b j e c t e dt o s i m u l t a n e o u sa c t i o n so fa x i a lc o m p r e s s i o na n dt h e r m a ll o a d ，s t r o n g l ya t o m i co s c i l l a t i o na t v 膊缎 博士学位论文碳纨米管瞧等效弹牲参量与履曲行为分子动力学模拟研究 h i g ht e m p e r a t u r el e a d st ol a r g ed e c r e a s eo fc r i t i c a lb u c k l i n gt e m p e r a t u r ef o rz i g z a gt u b e s w i t hr e l a t i v e l ys m a l lr a d i u s t h es i m u l a t i o nr e s u l t sd e m o n s t r a t e 像a tt h ec a r b o nn a n o t u b eh a sa b i l i t yt or e p a i rl a r g e h o l e si nt h el a t t i c ea u t o m a t i c a l l y t h eh o l e sa r em e n d e da n dt r a n s f o r mt os t o n e w a l e s s t r u c t u r ei nm o s tc a s e s i nt h ea c c o u n to fg r e a ts c a t t e rv a l u e so fm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s f o rc n t s ，a n o r t h o t r o p i cs h e l lm o d e li sp r e s e n t e d ，a n dt h ee f f e c t i v ee l a s t i cp r o p e r t i e so fs w c n t sa n d d w c n t sa r ed e t e r m i n e db yd i r e c tm db u c k l i n gm e a s u r i n gc o m b i n e dw i t ht h eu s eo f h i g h e ro r d e rs h e a rd e f o r m a t i o ns h e l lt h e o r y t h en u m e r i c a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ey o u n g s m o d u l u sd e c r e a s e sa st h et e m p e r a t u r ei n c r e a s e s w i t ht h et e m p e r a t u r ei n c r e a s i n gf r o m10 0 kt o7 0 0 t h es h e a rm o d u l u si n c r e a s e sa n de x h i b i t ss t r o n gt e m p e r a t u r ed e p e n d e n c e h o w e v e r a tt e m p e r a t u r e 芝7 0 0kt h ed e p e n d e n c eb e c o m e sv e r yw e a k w h e nt h em a t e r i a l p r o p e r t i e sa n de f f e c t i v ew a l lt h i c k n e s sa l ep r o p e r l yc h o s e n , t h er e s u k so b t a i n e db yc o n t i n u u m m e c h a n i c sa g r e ew e l lw i t hm dr e s u l t s i nt h ea b o v es t u d i e s , m a n yn u m e r i c a lr e s u l t sa r eo b t a i n e df i r s t l y , a n d ，t h e r e f o r e ，w e b e l i e v et h a ti ti so fg r e a ti m p o r t a n c eo fu n d e r s t a n d i n gt h em e c h a n i c a lr e s p o n s eo fc a r b o n n a n o t u b e s ，a n di sh e l p f u lt oa c c e l e r a t en a n o t u b e - b a s e dc o m p o s i t e sa n de n g i n e e r i n g t l l e p r e s e n ti n v e s t i g a t i o n sa l s op r o v i d et h e o r e t i c a lb a s i sf o ra p p l i c a t i o n so fc o n t i n u u me l a s t i c t h e o r yt on a n o - s c a l es t r u c t u r e s k e y w o r d s ：s i n g l e - w a l l e dc a r b o nn a n o t u b e s ，d o u b l e - w a l l e dc a r b o nn a n o t u b e s ，t h e r m a l e f f e c t ，c o m b i n e dl o a d i n g , t h e r m a ll o a d ，b u c k l i n g ，p o s t b u c k l i n g , e f f e c t i v ee l a s t i cp r o p e r t i e s 腰缝 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：张剐 日期：加叼年乎月2 5 日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密囱。 ( 请在以上方框内打“ ) 学位论文作者签名：张晨彳 日期：加d 1 年午月2 s h 博士学位论文碳纳米管篚等效弹性参量与糟曲行为分子动力学模戤研究 第一章绪论 在物质世界的微观和宏观两个领域内，人类取得了臣大进步，丽介于它们之间 o 1 1 0 0 纳米的世界里，科学家们发现了一些物理、化学上的奇异现象，纳米材料特 殊的光学、热学、磁学、电学、力学性质完全不同于我们现有的常识，这些全新的发 现可能导致全薪理论的闷世，将给入类带来重大的影响，必然成为一场持续的革命。 进入2 邀纪的最后1 0 年，作为一颈跨世纪的高薪技术一纳米技术，懿初舟的太阳 在地平线上冉冉升起，成为国内外科学领域中十分重要的研究方向。2 l 世纪的今天， 纳米技术已经成为三大主导技术之一，纳米科技和i t 技术、生物技术一起支撑起2 l 世纪社会的发展，必将对各行业产生深远影响。我困著名科学家钱学森指出：“纳米 科技是2 l 世纪科技发展的重点，会是一次技术革命，而且还会是一次产遭革命”。 纳米科学技术是一个融前沿科学耧高科技于一体的完整的科学技术实践体系，将成为 科技竞争的核心领域。2 l 世纪，纳米技术将广泛应用于信息、医学和新材料领域， 在未来的2 0 至3 0 年内，纳米技术将在社会生产途径、人类生活方式和人们思维模式 三个方面对人类社会产生深刻影响。纳米技术的出现，标志着人类社会在发展进程中 正迈向一个新的台阶。 1 1 纳米科学技术 在0 1 n m l o o n m 空间尺度内，正好介于微观和宏观之间，科学家把它称之为“介 观”。纳米科学技沫：( n a n os c i e n c e & t e c h n o l o g y ) 是在分磊尺度对物质特性进行研究， 利用这些特性来制造具有特定功能的产品，实现生产方式鹃飞跃。纳米科技的出现标 志着人类改造自然的能力已经延伸到原子、分子水平，从而开辟了人类认识世界的薪 层次。 在广阔的自然界和生物界中早已充满了纳米科学的内涵。如蒙脱石、伊利石、滑 石等就是天然纳米结构材料。石洼化工卡应用的催纯刹或者载体无论是入互的还是天 脒缎 博士学位论文碳纳米管的等效弹性参量与屈曲行为分子动力学模拟研究 然的，其具有的颗粒尺度均小于1 0 0 n m 或者其具有的孔径小于5 0 r i m 。荷叶叶面存在 非常复杂的多重微米级和纳米级的超微结构，使得紧贴叶面形成一层只有纳米级厚度 的空气层，灰尘、雨滴降落在叶面上后，隔着极薄的空气层，只能在叶面上形成几点 接触。人体的骨头、牙齿、细胞内部的结构都体现着纳米结构的存在，特别是其神奇 的有序组装等。 1 1 1 纳米科技的提出和发展 纳米科学技术的提出可以追溯到1 9 5 9 年，物理学家、诺贝尔物理学奖获得者 f e y n m a nr i c h a r d 在他著名的演讲【l 】“t h e r e sp l e n t yo fr o o ma tt h eb o t t o m 中提出： 如果人类能够在原子分子的尺度上来加工材料、置备装置，我们将有许多激动人心 的新发现。他指出，我们需要新型的微型化学仪器来操纵纳米结构并测定其性质。那 时，化学将变成根据人们的意愿逐个地准确放置原子的问题。并预言：“当我们得以 对细微尺度的事物加以操纵时，将大大扩充我们可能获得物性的范围。”这一演讲开 辟了具有深远意义和广阔前景的纳米科学研究领域。 纳米科技的迅速发展是在2 0 世纪8 0 年代末、9 0 年代初。1 9 8 2 年b i n n i g 和r o h r e r 团首先研制成功扫描隧道显微镜( s c a n n i n gt u n n e l i n gm i c r o s c o p y , s t m ) ，对纳米科技的 发展起到了积极的促进作用。1 9 8 4 年德国物理学家g l e i t e r t 3 教授用惰性气体蒸发、原 位加压法首先成功制备了具有清洁表面界面的纳米p d 、c u 、f e 等金属细粉，将纳米 材料研究引人了一个新的领域。1 9 8 7 年，美国a r g o n 实验室s i e g e l 博士课题组用真 空原位加压法制备了纳米陶瓷 r i 0 2 多晶体卜引。与此同时，纳米尺度上的多学科交叉 展现了巨大的生命力，迅速成为一个有广泛学科内容和潜在应用前景的研究领域。 1 9 9 0 年7 月，第一届国际纳米科学技术会议与第五届国际扫描隧道显微学会议在美 国巴尔的摩( b a l t i m o r e ) 市同时举行，各国科学家在会上讨论了纳米科技的前沿领域和 发展趋势，n a n o t e c h n o l o g y ) ) 、 n a n o s t r u c t u r e dm a t e r i a l s ) ) 和( ( n a n o b i o l o g y ) ) 这三种 国际性专业期刊也相继问世。这一会议标志着纳米科技领域的正式形成。2 0 0 0 年1 月，美国提出了“国家纳米技术倡议”，指出纳米科学可能引导一次新的工业革命， 因此把纳米技术置于国家最优先发展的地位。 近年来，纳米科技在光电子学、计算机技术、生物学、环保等领域都得到迅速发 滕缎 1 尊士学位论文碳纳米管的等效弹性参量与屈曲行为分子动力学模拟研究 展。1 9 9 7 年，美国科学家成功地用单电子移动单电子，这种技术可用于研制速度和 存储容量比现在提高上万倍的量子计算机。2 0 0 1 年，荷兰研究人员制造出室温下能 有效工作的单电子碳纳米管晶体管，将成为分子计算机的理想材料。纳米结构也是生 命现象中基本的东西。神经系统的信息传递和反馈正是纳米科技的完美典范，生物合 成和生物过程已成为启发和研制新的纳米结构的源泉。目前，正在研制的生物芯片， 如细胞芯片、蛋白质芯片和基因芯片等，已成为纳米生物工程的前沿科技。当今全球 面临严重的环境污染，运用纳米科学与技术，制各有序纳孔材料和纳米膜材料来消除 水和空气中的污染，许多环保难题将得以解决。此外，纳米材料制各技术方面也出现 重大突破。2 0 0 1 年王中林1 6 1 成功合成了宽3 0 - - - 一3 0 0 n m ，厚5 l o n m ，长度数毫米的“纳 米带”，该纳米带比碳纳米管具有更独特和优越的物理性能，在纳米研究和应用方面 有重要意义。 1 1 2 纳米科技的主要研究领域 纳米科学是由材料、化学、物理学、生物学、医学、电子学及机械学等多种学科 相互交叉而形成的新学科。因此，纳米科技的研究涉及诸多领域，它不仅包含以观测、 分析和研究为主线的基础学科，同时还包括以纳米工程与加工学为主线的技术学科。 通常按照与学科紧密联系的分类方式，可以分为纳米材料学、纳米电子学、纳米 动力学、纳米生物学、纳米药物学、纳米化学、纳米机械学与纳米加工等等。但这种 分类方式造成各研究门类之间相互交叉重叠，无法清晰的勾勒出纳米科技的大致轮 廓。所以，从纳米科学的研究问题和应用领域相结合的角度，纳米科技中有纳米材料、 纳米器件、纳米结构的检测与表征这三类功用性很强的研究领域。 1 纳米材料 纳米科技促使不断有新的纳米材料产生。纳米材料是指在三维空间中至少有一维 处于纳米尺度范围或由它们作为基本单元构成的材料。如纳米尺度的颗粒、原子团簇、 纳米丝、纳米棒、纳米管以及超薄膜、超晶体等。纳米材料由于其结构的特殊性和加 大的比表面积而表现出一系列新的效应，有小尺寸效应、表面效应、量子效应和量子 隧道效应。这决定了纳米材料表现出许多不同于传统材料的独特性能。l u 等 7 1 报导 麟缝， 博士学位论文碳蚋米雷的等效弹性参量与屈曲行为分子动力学模拟研究 r 室温下对平均晶粒尺寸为3 0 n t o 的纳米铜进行超塑性轧压，延伸率达到5 1 0 0 的惊 人结果，日晶丰立仍保持等轴，没有形成织构，晶体内的位错密度仅略有增加。由石墨 烯网格构成的碳纳米管，其刚度达到钢的6 倍，抗拉强度是钢的1 0 0 多倍，而密度仅 是钢的l 6 ，并且有根好的柔韧忖_ 。q i a n 等人3 将0 5 体积的多壁碳匀j j 米管作为增强 纤维制得碳纳米管高分子复合材料，刚度鞍纯基体材料提高了4 0 ，强度提高了2 5 ( 图1 1 ) 。z h e n g 等人忖川在理论卜预测出多壁碳纳米管的内管可以在外管中以高达 十亿赫兹的频率做机械 ； _ 返运动。 纳米材料的研究领域包括两个方面，一是系统的研究纳米材料的性能、微结构和 谱学特征，找出纳米材料的特殊规律，建立描述和表征纳米材料的新概念和新理论； 二是发展新型纳米材料，目前的关键技术问题是人规模制备的质量控制。 图1 i 碱纳米营高分f 复合材料 盹l lc a r b o nn a n o m b e sr e i n f o r c e d p o l y m e r i 9 1 2 纳米器件 纳米科技的最终目的是以原予、分了为起点，制造具有特殊功能的产品。纳米器 件的研制和应用是进入纳米时代的重要标志。纳米器件通常可以分为类：纳米电子 器件、光电子器件和分子电子器件。国际上，在开展纳米器件研究的同时，适合纳米 器件的电路和体系结构也是研究的热点。此外，进步掌握在纳米尺度j ：应用牛物学 腰曼丝， 博士学位论文碳纳米管的等效弹性参量与屈益行为分子动力学模舣研究 原理制造生物分子器件也受到广泛的重视。目前科学家在生物传感器、生物分子计算 机、纳米分子马达等方而都做了重要的尝试。2 0 0 0 年s o o n g 等】把生物微型马达与 - 。个螺旋桨组装在一起，成功制造了一台纳米机器，螺旋桨能够以每秒8 转的速度旋 转，如图l - 2 所示。 圈l o 微型马达纳米器件 f 嘻1 - 2 b i o m o e c u a m o t o r - p o w e r * dn a n o m c c h a n i c a d e v i c e 3 纳米结构的检测与表征 为在纳米尺度上研究材料和器件的结构和性能，发展新方法，创造新技术，必须 建立纳米尺度的检测与表征手段。这包括在纳米尺度上研究各种纳米结构的电、力、 磁、光学特性，纳米空间的化学反应过程，物理传输过程以及研究原子的捧列、组 装与物性的关系。 扫描隧道显微镜和原子力显微镜( a t o m i cf o r c em i c r o s c o p y , a f m ) i ”】的出现，标志 着人类在对微观尺度的探索方面进入到一个全新的领域。利用扫描隧道显微镜和原子 力显微镜可以直接观察原于、分子以及纳米粒子的相互作用与特性，从而使在纳米 尺度下研究材料的结构和物性成为可能。高分辩率电子显微镜( h i 曲r e s o l m i o n t r a n s r a i s s i o ne l e c u o n i cm i c r o s c o p yh r t e m ) 等近来发展的实验手段也大大推动了人们 对纳观物理现象的认识。w o n g 等i ”悃原子力显微镜测量了多壁碳纳米管的弯曲力。 k i z u k a i “1 利用高分辩率电子显微镜直接观察到了纳米金线的拉伸、压缩和剪切的动卷 脒缱 博士学位论文 碳纳米管的等效弹性参量与屈曲行为分子动力学模拟研究 过程。 1 1 3 纳米力学 材料的力学行为随尺寸发生变化”】。原子尺度下材料的力学特征及其变形与运动 过程中，出现了许多经典连续介质力学无法解释的新现象，必须从基本的原子、分子 运动过程的角度来了解体系的力学行为。 纳米力学是纳米科学的重要组成部分。纳米科学中和力学有关的问题都属于纳米 力学( n a n o m e c h a n i e s ) 的研究范畴。纳米力学包含了两层含义：一为纳米尺度力学，即 特征尺度在o 1 n m - 一1 0 0 n m 之间的细微结构所涉及的力学问题；二为纳观力学，即从 纳米的尺度上展示力学新观察。与特征尺度在1 0 0 n m 1 0 0l am 之间的细观力学及尺 度在纳米以下的单纯量子力学不同，纳米力学主要探讨成千上万个原子组成的凝聚态 物质所表现的带有整体特征的力学行为。纳米力学不仅以连续介质理论描述，而且兼 具连续介质力学、分子动力学( m o l e c u l a rd y n a m i c s ，m d ) 和量子力学的多尺度描述特 征。 从研究手段上，纳米力学的研究范畴可分为纳米计算力学、纳米实验力学和纳米 力学理论。纳米计算力学包括不同类型的数值模拟方法，有基于量子力学的从头计算 方法( a bi n i t om e t h o d s ) 、分子动力学方法和连续介质的计算力学方法。分子动力学方 法是一种重要的计算机模拟手段，它可以定量再现真实固体中所发生的动态过程，提 供结构变形过程中原子运动的细节，进而从本质上发现崭新的物理现象。纳米实验力 学包括两层含义，一是对特征尺度在0 1 n m 1 0 0 n m 之问的细微结构进行实验力学研 究；二是以纳米层次的分辨率来测量力学场。扫描隧道显微镜、原子力显微镜和高分 辩率电子显微镜等近年来发展起来的实验手段使直接观察纳米尺度下原子的运动过 程成为可能，极大促进了纳米实验力学的发展。纳米力学理论是在纳米尺度下对连续 介质力学的改进，以及研究纳米力学所产生的不同于经典力学的新方法。 从研究问题上，纳米力学可分为纳米塑性力学、纳米断裂力学、纳米结构稳定性 等内容。从具有纳米尺度的特殊构形上，可包含纳米薄膜力学，纳米晶体力学和纳米 管力学。此外，若干新兴研究内容，如纳米复合材料、纳米压痕力学也为纳米力学提 供了广阔的研究内容。 麟缎 博士学位论文碳纳米管的等效弹性参量与屈曲行为分子动力学模拟研究 1 2 碳纳米管研究现状 1 9 9 1 年n e c 公司的i i j i m a 教授【16 】在高分辩率透射电镜下发现了碳纳米管( c a r b o n n a n o t u b ec n t ) ，揭开了一个崭新的纳米科技研究对象。碳纳米管由于本身特殊的分 子结构而呈现出低密度、高硬度、高强度和高韧性等特点，预示了它在超轻高强复合 材料等方面有广泛的应用前景。碳纳米管导电性极很好，场发射性能优良，兼具金属 性和半导体性，可制成极好的微细探针、导线和发光器件，并可能成为纳米芯片来替 代传统的硅芯片，从而引发计算机行业的革命。目前碳纳米管的研究可分为两类，一 为制备方法的研究，另一类运用现代实验手段和纳米科技特有的理论方法研究碳纳米 管的物性及其应用。 1 2 1 碳纳米管的基本结构特征 i 、 q 2 0 n l 一 图l - 3 定义卷曲矢量c 为基矢量口j 和幻的线性组合 f i g 1 - 3d e f i n i t i o no f r o l l - u pv e c t o rca sl i n e a rc o m b i n a t i o n so f b a s ev e c t o r s 口ja n d 幻 碳纳米管是富勒( f u l l e r e n e ) 碳系中的一个新成员，和石墨、c 6 0 、金刚石属于同一 家族。碳纳米管的径向尺寸为纳米量级，现已合成直径仅为0 3 3 n m 的碳管n 7