（固体力学专业论文）多壁碳纳米管动力学行为的研究.pdf

太原理工大学博士研究生学位论文 多壁碳纳米管动力学行为的研究 摘要 自从日本学者i i j i m a 于1 9 9 1 年发现了第一根碳纳米管以来，对碳纳 米管及其应用进行了广泛、深入的研究。研究表明碳纳米管具有许多十 分优异的力学、电磁学和化学性能。为了碳纳米管的应用，需要建立可 靠的力学模型，以了解碳纳米管的材料特性和对力学行为的影响。在力 学方面，碳纳米管的强度和韧性极高，弹性模量也极高，超过1 t p a ，为 已知材料中最高的。碳纳米管无论是强度还是韧性，都远远优于任何已 知纤维材料。将碳纳米管作为复合材料的增强体，将使之表现出良好的 强度、弹性、抗疲劳性。可以预见碳纳米管增强复合材料可能带来复合 材料性能的一次革命。 目前碳纳米管力学性能的研究主要采用实验和数值模拟方法。所有 的数值模拟方法可分为两类：连续体模型和原子论模型。原子论模型中 以分子动力学( m o l e c u l a rd y n a m i c s ，m d ) 模拟方法最为常见。采用分子动 力学方法以及在分子动力学法基础上的混合法时，由于总的自由度过大， 数值模拟法受到计算机处理能力的限制。很难直接用于纳米器件和系统 的整体性能模拟。y a k o b s o n 等利用分子动力学模拟了单壁碳纳米管在压 缩、弯曲和扭转载荷作用下的屈曲。将单壁碳纳米管受轴向压缩屈曲的 太原理工大学博士研究生学位论文 分子动力模拟的结果与简单连续体模型进行比较，发现由分子动力学模 拟所展现的屈曲模态的所有变化都能由连续体模态给出。这个结果与其 他许多的研究结果表明，连续介质模型在碳纳米管的研究中将继续发挥 着重要的作用。 碳纳米管的动力屈曲是碳纳米管的一个基本的力学行为。虽然前人 对碳纳米管力学性能进行了许多研究，但对其动力特性的研究结果有限。 在多壁碳纳米管的力学行为中v a i ld e rw a a l s 力起着至关重要的作用。考 虑周围弹性介质的作用后，使问题更加复杂。 本文应用连续介质力学研究了碳纳米管的动力屈曲问题。分别研究 了在受轴向周期扰动作用下多壁碳纳米管的动力屈曲，受冲击扭矩作用 下碳纳米管动力屈蛆以及波在多壁碳纳米管中的传播问题。得到一些有 意义的结果。 1 受轴向周期扰动作用的多壁碳纳米管的动力屈曲 本文研究了嵌入在弹性介质或金属基底中的多壁碳纳米管受轴向周 期扰动的动力屈曲问题。文中采用连续体模型考虑了壁间v a nd e rw a a l s 力和周围弹性介质对轴向动力屈曲的影响。首次给出了受轴向周期扰动 力的屈曲模态及临界压力和临界频率的值。发现了由于壁间v a l ld e r w a a l s 力的作用使双壁碳纳米管的临晁应变比单壁碳纳米管的临界应变低。故 多壁碳纳米管更易屈曲。文中还给出了v a n d e r w a a l s 力和周围弹性介质 对双壁碳纳米管不稳定区的影响，v a nd e r w a a l s 力使受轴向周期性扰动 的双壁碳纳米管的临界频率增大，周围弹性介质对临界频率的影响不大。 首次给出了多壁碳纳米管受轴向周期扰动力的作用，在v a r l d e r w a a l s 2 太原理工大学博士研究生学位论文 力和周围弹性介质力的共同作用下的动力屈曲模态以及双壁碳纳米管的 固有频率和临界频率。 2 受冲击扭矩作用的碳纳米管动力屈曲的研究 在本文应用连续体模型研究了双壁碳纳米管的扭转动力屈益问题。 考虑了壁间v a nd e r w a a l s 力和周围弹性介质对扭转动力屈曲的影响。发 现了由于壁间v a l l d e r w a a l s 力的作用使双壁碳纳米管的临界应变比单壁 碳纳米管的临界应变低，故多壁碳纳米管更易屈曲。本文还给出单壁碳 纳米管受冲击扭矩作用的动力屈曲模态。将碳纳米管模拟成半无限长的 弹性圆柱壳，将冲击扭矩作用下的动力屈曲归结为由于扭转应力波的传 播导致的分叉问题，从而得出一个非线性方程组，并进行了数值求解， 给出了碳纳米管的不同参数对动力屈曲的影响。发现了临界屈曲剪应力 很高甚至达到几百个g p a 。且直径越小，碳纳米管抗冲击扭转的性能越好， 表现出前所未有的抗冲击特性。 首次给出了受冲击扭矩作用下碳纳米管动力屈曲的位移模态和分叉 的非线性方程组。并进行了数值求解，给出了碳纳米管的不同参数对动 力屈曲的影响。发现了i 晦界屈曲剪应力很高。表现出前所未有的抗冲击 特性。 3 在多壁碳纳米管中波传播的研究 首次给出了波在单个多壁碳纳米管中传播的多壁弹性壳模型。分析是 在连续体力学的基础上，将多壁碳纳米管的每个管模拟成弹性壳。分析 了v a nd e rw a a l s 力和周围弹性介质对多壁碳纳米管波传播的影响。分析 3 太原理工大学博士研究生学位论文 表明，由于v a i ld e rw a a l s 力作用，在t 赫兹振动范围内，每一层碳纳米 管都有自己的临界频率，n 层碳纳米管有n 个临界频率。通过数值分析 发现，当振动频率低于多壁碳纳米管的所有临界频率时，只有一个波速， 也就是说单壁弹性壳模型适用多壁碳纳米管的低频波的传播。而此时每 一层都有相同的振动轨迹，振动模态几乎是同轴。另一方面，当振动频 率至少高于多壁碳纳米管的一个临界频率时，存在几个不同的波速，各 层间会出现部分相同和部分不同的振动轨迹。特别是振动频率大于多壁 碳纳米管的所有临界频率时，n 层碳纳米管有n 个波速，每一层都有不 同的振动轨迹，振动模态基本是非同轴的。多壁碳纳米管t 赫兹波的传 播，由于v a nd e rw a a l s 力的作用，以不同的波速传播，或低于单壁弹性 壳模型的波速，或高于单壁弹性壳模型的波速。因此，多壁碳纳米管的t 赫兹高频波存在着复杂现象，振动基本是不同轴的。由此可得单壁弹性 壳模型能有效地描述单壁碳纳米管或多壁碳纳米管的低频波的传播，而 不适用于描述高频波在多壁碳纳米管中的传播，非同轴振动模态将起着 致关重要的作用。因此，多壁碳纳米管的t 赫兹高频波必须用多壁弹性 壳模型描述其某些特殊的物理性质。 首次用多壁弹性壳模型研究多壁碳纳米管波的传播问题。通过数值分 析发现，n 层碳纳米管有n 个临界频率。当振动频率低于多壁碳纳米管 的所有临界频率时，多壁碳纳米管只有一个波速，振动模态几乎是同轴。 当振动频率至少高于多壁碳纳米管的一个临界频率时，存在几个不同的 波速，振动模态基本是非同轴的。高频波在多壁碳纳米管中的传播，非 4 太原理工大学博士研究生学位论文 同轴振动模态将起着致关重要的作用。 关键词碳纳米管，动力屈曲，v & r l d e r w a a l s 力，弹性介质，波的传播， 振动模态 太原理工大学博士研究生学位论文 i n v e s t i g a t i o no nt h ed y n a m i c b e h a v i o ro fm u l i ，】l w a l l e d c a r b o nn a n o t u b e s a b s t r a c t t h ed i s c o v e r yo ft h ef i r s tc a r b o nn a n o t u b e ( i i j i m a ，19 91 ) h a sa t t r a c t e d w i d ea t t e n t i o na n ds t i m u l a t e de x t e n s i v es t u d i e s t h es t u d i e ss h o w e dt h a tt h e c a r b o nn a n o t u b e se x h i b i ts u p e r i o rm e c h a n i c a l ，e l e c t r o n i ca n dc h e m i c a l p r o p e r t i e s f o rt h eu s ep u r p o s e so fc a r b o nn a n o t u b e s ，t h em e c h a n i c a lm o d e l s a r en e e d e dt ou n d e r s t a n dl l a n o s t r u c t u r em a t e r i a lp r o p e r t i e sa n dt h e i re f f e c to n t h em e c h a n i c a lb e h a v i o r o nt h em e c h a n i c a lb e h a v i o r , t h ec a r b o nn a n o t u b e s p o s s e s se x c e p f i o n a l l yh i g hs t r e n g t h ，s t i f f n e s s a n de l a s t i cm o d u l u s t h e e s t i m a t e dm o d u l u so f t h ec a r b o nn a n o t u b em a yr e a c ha sh i 曲a s1 t p a i ti st h e h i 曲i s to fa l lk n o w nm a t e r i a l s ，n om a t t e rs 仃e n g t ho rs t i f f n e s sh i g h e rt h a na n y k n o w nf i b e r t h ec a r b o nn a n o t u b e sa r eu s e da s c o m p o s r e m a t e r i a l r e i n f o r c e m e n tt o p r e s e n t e x c e l l e n ts t r e n g t h ，r e s i l i e n c ya n dr e s i s t a n c et o f a t i g u e i tw o u l db ee x p e c t e dt h a tc o m p o s i t e sm a t e r i a l sr e i n f o r c e db yc a r b o n 6 太原理工大学博士研究生学位论文 n a n o t u b e sw i l lb r i n gar e v o l u t i o no fc o m p o s i t em a t e r i a l s a tp r e s e n tt h ee x p e r i m e n t a la n dn u m e r i c a ls i m u l a t e dm e t h o d sa r em a i n l y e m p l o y e di nt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e si n v e s t i g a t i o no ft h ec a r b o nn a n o t u b e s a l ln u m e r i c a l m o d e l i n gm e t h o d sc o n s i s to fb o t hc o n t i n u u mm o d e l sa n d a t o m i s t i cm o d e l s w h e nt h em o l e c u l a r - d y n a m i c s ( m d ) m e t h o d sa n dm i x e d m e t h o d sb a s e do nt h em o l e c u l a r - d y n a m i c sa r eu s e di nt h ei n v e s t i g a t i o no f m e c h a n i c a lb e h a v i o ro ft h ec a r b o nn a n o t u b e s ，n u m e r i c a lm o d e l i n gi sc o n f i n e d b yp r o c e s s i n gc a p a b i l i t yo fc o m p u t e r sb e c a u s et h et o t a ld e g r e eo ff r e e d o mi s h u g e i ti sd i f f i c u l tt ou s ed i r e c t l ym y ) m e t h o d si ns i m u l a t i n gn a n o d e v i c e s a n dt h ep r o p e r t i e so ff u l l s y s t e m y a k o b s o ne t cc o m p a r e dt h er e s u l t so f a t o m i s t i c m o d e l i n g f o r a x i a l l yc o m p r e s s e db u c k l i n go fas i n g l e w a l l e d n a n o t u b ew i t ht h er e s u l t so fs i m p l ec o n t i n u u mm o d e l s i ti sf o u n dt h a ta l l b u c k l i n gm o d a ls h a p e sd i s p l a y e db yt h em o l e c u l a r 却a m i c sm o d e l sc a n a l s ob ep r e d i c t e db yt h ec o n t i n u u mm o d e l t h e i rr e s u l t st o g e t h e rw i t hm a n y o t h e r si n d i c a t et h a tc o n t i n u u mm o d e l sw i l ls t i l lp l a ya ne s s e n t i a lr o l ei nt h e s t u d yo fc a r b o nn a n o t u b e s t h ed y n a m i cr e s p o n s eo ft h ec a r b o nn a n o t u b er e p r e s e n t s f lb a s i c m e c h a n i c a lp r o p e r t yo fc a r b o nn a n o t u b e a l t h o u g ht h e r ea r em a n yr e s u l t so f s t u d i e so nm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h ec a r b o nn a n o t u b e s ，t h er e s u l t so ft h e s t u d i e so ft h ed y n a m i cp r o p e r t i e sa r ef e w t h ev a nd e rw a a l sf o r c e sb e t w e e n a d j a c e n tn a n o t u b eh a v eac r u c i a le f f e c to nm e c h a n i c a lb e h a v i o r so fc a r b o n 7 太原理工大学博士研究生学位论文 n a n o t u b e s t h ec o m b i n e de f f e c t so ft h es u r r o u n d i n ge l a s t i cm e d i u mm a k et h e q u e s t i o nm o r ec o m p l e x t h ec o n t i n u u mm o d e lf o rs t u d y i n gd y n a m i cb u c k l i n gb e h a v i o rs u b j e c t e d t oa na x i a lp e r i o d i cd i s t u r b a n c ea n di m p a c tt o r q u ei sd e v e l o p e di nt h i sp a p e r t h ei n v e s t i g a t i o no fw a v ep r o p a g a t i o na l o n ga l li n d i v i d u a lm u l t i - w a l l e d c a r b o nn a n o t u b ei s p r e s e n t e db y a m u l t i p l e e l a s t i c s h e l l m o d e l t h e r e s e a r c h e sa r eo u t l i n e da sf o l l o w i n g 1 t h ed y n a m i cb u c k l i n go fam u l t i - w a l l e dc a r b o nn a n o t u b es u b j e e t e dt o a na x i a lp e r i o d i cd i s t u r b a n c e t h ed y n a m i cr e s p o n s eo fam u l t i w a l l e dc a r b o nn a n o t u b ee m b e d d e di n e l a s t i cm e d i u ms u b j e c t e dt o p e r i o d i cd i s t u r b i n g f o r c e si s i n v e s t i g a t e d c o n t i n u u mm o d e lo ft h ei n v e s t i g a t i o no ft h ed y n a m i cb u c k l i n go fa m u l t i e w a l l e dc a r b o nn a n o t u b ei sd e v e l o p e d t h ee f f e c to ft h ev a nd e rw a a l s f o r c e sb e t w e e nt w ot u b e sa n dt h es u r r o u n d i n ge l a s t i cm e d i u mf o ra x i a l d y n a m i cb u c k l i n ga r ec o n s i d e r e d t h eb u c k l i n gm o d e ls u b j e c t e dt op e r i o d i c d i s t u r b i n gf o r c e s ，t h ec r i t i c a la x i a ls t r a i na n dt h ec r i t i c a lf r e q u e n c i e sa r eg i v e n i ti sf o u n dt h a tt h ec r i t i c a la x i a ls t r a i no ft h ee m b e d d e dm u l t i w a l l e dc a r b o n n a n o t u b ei sl o w e rt h a nt h a to fa ne m b e d d e ds i n g l e - w a l l e dc a r b o nn a n o t u b e d u et ot h ei n t e r t u b ev a nd e rw a a l sf o r c e s jt h ev a nd e r 勋a l sf o r c e sa n dt h e s u r r o u n d i n ge l a s t i cm e d i u ma f f e c tr e g i o no fd y n a m i ci n s t a b i l i t y t h ev a nd e r w a a l sf o r c e si n c r e a s et h ec r i t i c a l f r e q u e n c i e so fad o u b l e w a l l e dc a r b o n 8 太腺理工大学博士研究生学位论文 n a n o t u b e t h ee f f e c to ft h e s u r r o u n d i n ge l a s t i cm e d i u mf o rt h ec r i t i c a l f r e q u e n c i e si ss m a l l e r f o rt h ef i s tt i m e ，u n d e rm u t u a le f f e c to ft h ev a nd e rw a a l sf o r c e s b e t w e e nt w ot u b e sa n dt h es u r r o u n d i n ge l a s t i cm e d i u m ，t h eb u c k l i n gm o d e l s u b j e c t e dt op e r i o d i cd i s t u r b i n gf o r c e s ，t h ec r i t i c a la x i a ls t r a i na n dt h ec r i t i c a l f r e q u e n c i e sa r eg i v e n 2 i n v e s t i g a t i o no ft h ed y n a m i cb u c k l i n gi nt h ec a r b o nn a n o t u b eu n d e r i m p a c tt o r q u e c o n t i n u u mm o d e li s d e v e l o p e da b o u tt h ei n v e s t i g a t i o no ft h et o r i o n a l b u c k l i n go fad o u b l e - 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- w a l l e d - e l a s t i c - s h e l lm o d e l i sp r e s e n t e df o rw a v ep r o p a g a t i o n a l o n ga ni n d i v i d u a lm u l t i w a l l e dc a r b o nn a n o t u b e t h ea n a l y s i si sb a s e do na c o n t i n u u mm e c h a n i c sm o d e li nw h i c he a c ht u b eo fam u l t i w a l l e dc a r b o n n a n o t u b ei sm o d e l e da sa ni n d i v i d u a le l a s t i cs h e l l ，a n di t sg o v e m i n ge q u a t i o n i sb a s e do nd o n n e l l se q u a t i o n t h ei n t e r l a y e rf r i c t i o nb e t w e e na n yt w o a d j a c e n tt u b e si sn e g l i g i b l e ，a n dt h ev a i ld e rw a a l si n t e r a c t i o nb e t w e e na n y t w oa d j a c e n tt u b e si st a k e ni n t oa c c o u n tf o rc o u p l i n g t h ea n a l y s i ss h o w st h a t t h e r ee x i s tnc r i t i c a lf r e q u e n c i e s ( w i t h i nt e t r a h e r t zr a n g e ) f o ra nn - w a l l e d c a r b o nn a n o t u b e w h e nt h ed i s t u r b i n gf r e q u e n c yi sl o w e rt h a na l lc r i t i c a l f r e q u e n c i e so fa m u l t i w a l l e dc a r b o nn a n o t u b e ，v i b r a t i o nm o d eo fe a c hp o i n t 1 0 太原理工大学博士研究生学位论文 o nt h em i d d l es u r f a c e so fs h e l l sh a sn os i g nc h a n g e ，v i b r a t i o nm o d ei sc o a x i a l a n das i n g l e e l a s t i c - s h e l lm o d e ls e e m st ob es u i t a b l et od e s c r i b em u l t i w a l l e d c a r b o n n a n o t u b e s h o w e v e r , n u m e r i c a lr e s u l t sr e v e a lt h a tw h e nt h e f r e q u e n c yi sh i g h e rt h a na t l e a s to n eo ft h ec r i t i c a l f r e q u e n c i e so fa m u l t i w a l l e dc a r b o nn a n o t u b e ，s o m ev i b r a t i o nm o d e sh a v ea s i g nc h a n g ea n d w a v e sp r o p a g a t ea tv a r i o u ss p e e d ss i g n i f i c a n t l yh i g h e ro rl o w e rt h a nt h e s p e e dp r e d i c t e db y a s i n g l e - e l a s t i c s h e l lm o d e l v i b r a t i o nm o d ei sn o n c o a x i a l t h i s p h e n o m e n o n t a k e ss o u r c ea tt h e p r e s e n c eo ft h ev a nd e rw a a l s i n t e r a c t i o nf o r c e s i n p a r t i c u l a r , t e r a h e r t zw a v ei n m u l t i - w a l l e dc a r b o n n a n o t u b e sp r o p a g a t ea tv a r i o u ss p e e d s ，d e p e n d i n gn o to n l yo nt h ef r e q u e n c y b u ta l s oo nt h en o n c o a x i a lv i b r a t i o nm o d e s f o rt h ef i s tt i m e ，am u l t i p l e w a l l e d - e l a s t i c s h e l lm o d e li sg i v e nf o rw a v e p r o p a g a t i o na l o n ga ni n d i v i d u a lm u l t i w a l l e dc a r b o nn a n o t u b e n u m e r i c a l r e s u l t sr e v e a lt h a tt h e r ee x i s tnc r i t i c a lf r e q u e n c i e s ( w i t h i nt e t r a h e r t zr a n g e ) f o ra nn - w a l l e dc a r b o nn a n o t u b e w h e nt h ed i s t u r b i n gf r e q u e n c yi sl o w e r t h a na l lc r i t i c a l f r e q u e n c i e so fam u l t i w a l l e dc a r b o nn a n o t u b e v i b r a t i o n m o d ei sc o a x i a l w h e nt h ef r e q u e n c yi sh i g h e rt h a na tl e a s to n eo ft h ec r i t i c a l f r e q u e n c i e so f am u l t i w a l l e dc a r b o nn a n o t u b e ，v i b r a t i o nm o d ei sn o n c o a x i a l 太原理工大学博士研究生学位论文 一 k e yw o r d s ：c a r b o nn a n o t u b e ，d y n a m i cb u c k l i n g ，v a l ld e rw a a l sf o r c e s ， e l a s t i cm e d i u m ，m u l t i p l e e l a s t i c s h e l l m o d e l ，w a v e p r o p a g a t i o n ，v i b r a t i o nm o d e 1 2 太原理工大学博士研究生学位论文 符号说明 n o t a t i o n s 轴向位移 径向位移 法向位移 时间 速度 厚度 面积 长度 半径 弹性模量 有效弯曲刚度 剪切模量 泊松比 v a nd e rw a a l s 常数 周围弹性介质常数 质量密度 薄膜力 弯矩 临界应变 临界应力 临界剪应力 临界压力 固有频率 甜 v w ， c 厅 爿 r e d g 盯 q p 吖 吒 。 卫 国 太原理工大学博士研究生学位论文 8 ，? k ” a s 。， 临界频率 轴向波数 周向波数 振幅 临界剪力 太原理工大学博士研究生学位论文 1 1 引言 第一章碳纳米管的力学行为 纳米科学技术是在纳米尺度内，通过对物质反应、传输和转变的控制来实现创造 新的材料、器件和充分利用它们的特殊的性能，并且探索在纳米尺度内物质运动的新 现象和新规律。纳米是一种几何尺寸的量度单位，1 纳米约等于4 5 个原子排列起来 的长度。它正好处于原子、分子为代表的微观世界和以人类活动空间为代表的宏观世 界的中间地带，也就是物理学、化学、材料科学、生命科学以及信息科学发展的新领 域。一方面，纳米材料中包括了若干个原子、分子，使得人们可以在原子层面上进行 材料和器件的设计与制备。也就是说，纳米材料一方面可以被当作一种“超分子”， 充分地展现出量子效应：而另一方面它也可以被当作一种非常小的“宏观物质”，以 致于表现出前所未有的特性。 当代纳米科学技术的研究领域集中在三个方面。第一，具有特殊性能的纳米材 料和纳米结构的研究，以及在改善传统材料的综合性能方面的应用，如以纳米技术为 依托，开发比现有的钢材的强度高十倍，而比重大大降低的新的结构材料。第二，设 计制备新型纳米结构和器件，以推动信息、能源、环境压疗，农业及航天技术的革新 和发展，如信息技术中的新型存储显示和运算器件。第三，纳米加工和纳米探测技术 的实践应用，如能探测只有几个癌变细胞的手段等。再如，微米尺度的加工技术和结 构或材料是当代微电子工业的支柱，而纳米技术( 包括制备和加工等) 和纳米材料将成 为下一代微电子器件的基础。纳米科技发展中，纳米材料是它的前导，在现阶段应给 以特别的关注。因为纳米材料集中体现了小尺寸，复杂构型、高集成度和强相互作用 以及高比表面积等现代科学技术发展的特点，其中最应该指出的是纳米材料是将量子 力学效应工程化或技术化的最好场合之一，可能会产生全新的物理、化学现象。 自从日本学者饭岛( 1 ij i m a ) “1 在1 9 9 1 年发现第一根碳纳米管，碳纳米管作为一种 太原理工大学博士研究生学位论文 新型准一维功能材料日益受到人们的关注，很快就成为纳米材料中非常重要的成员。 激发起对碳纳米结构及其应用在科学技术层面的不断拓广的研究活动。这主要归结于 它们预期的完美结构、小尺度、低密度、高硬度、高强度( 多壁碳纳米管最外层壳的 拉伸强度超过铝的1 0 0 倍) 和卓越的电学性质集于一身的特点。引起了科研工作者的 强烈兴趣。由于这些奇异的性能导致了碳纳米管有着潜在的、广泛的、难以估量的巨 大应用前景，碳纳米管将引起一场在材料、电子、计算机技术等领域的革命1 。 碳纳米管具有十分优良的力学性能。例如，碳纤维增强复合材料在航空航天等高 技术领域早已得到广泛的应用，但碳纤维韧性不高的弱点也带来了很多制约。碳纳米 管无论是强度还是韧性都远远优于碳纤维，所以将取代碳纤维而成为复合材料的优异 的增强剂。另外，由于碳纳米管还可以承受强冲击，所以它是很好的装甲和防弹衣的 材料。碳纳米管的纳米尺度、高强度和高韧性特征，使得它可以广泛应用于微米甚至 纳米机械。此外，碳纳米管还可以用于场发射、微电极和s p m 探针显微镜的针尖等。 碳纳米管可望在材料增强、场发射平版显示器、化学传感、药物输送和纳米电子领域 中有广阔的应用天地。实际上，在利用碳纳米管极好的硬度和强度方面，正在发展重 量起主导作用的航天用材料，基于碳纳米管的复合材料可能具有超越现有任何材料的 强度质量比。韩国三星和日本电器( n e c ) 等公司已经实验出利用碳纳米管作为发射 显示器的产品级器件，并作了大量投资。这些器件已显示出诸如低开关电场、高发射 电流密度和高稳定性等出众的品质“。 在过去的1 0 年里，随着材料合成和器件制备能力的发展，开发并理解纳米尺度的 工程器件的重要性急剧上升。通过与其他纳米尺度材料相比发现，碳纳米管具有出众 的物理和化学性质。它们具有超常的刚度、强度和导电导热性，最终可望用于纳米电 子系统”1 。碳纳米管是碳异掏体家族中的一个新成员，它被看成是由层状结构的石墨 片卷成的无缝空心管。这种管状结构在自然界以怎样的稳定形态存在，同时在某些场 合如高温，高压下，其存在的形式又是怎样的，研究这些问题对于进一步探讨碳纳米 管力学性能及其应用都是很有帮助的。因此近年来，有关碳纳米管的结构稳定性，力 学性能及其复合材料的研究已成为碳纳米管应用研究热点之一“1 。 本章将对碳纳米管的有关力学性能方面的研究进行初步的总结。对这种新型材料 2 太原理工大学博士研究生学位论文 力学性能的研究主要有实验方法，模拟方法对碳纳米管的一些性质进行