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多壁碳纳米管动力学行为的研究
中文名称: 多壁碳纳米管动力学行为的研究
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论文编号: 3044856收藏本论文】【我的收藏】【我要投稿
英文名称: Investigation on the Dynamic Behavior of Mulit-walled Carbon Nanotubes
学位类型: 博士毕业论文
作者: 涉及隐私,隐去***  作者本人请参看权力声明>>
导师: 涉及隐私,隐去***
毕业学校: 涉及隐私,隐去***
专业: 固体力学
毕业年份: 涉及隐私,隐去***
关键字: 纳米 纳米管 动力学 碳纳米管 动力屈曲 van der Waals力 弹性介质 波的传播 振动模态
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论文简介:自从日本学者Iijima于1991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1Tpa,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(MolecularDynamics,MD)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。Yakobson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vanderWaals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曲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vanderWaals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vanderWaals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。文中还给出了vanderWaals力和周围弹性介质对双壁碳纳米管不稳定区的影响,vanderWaals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vanderWaals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曲问题。考虑了壁间vanderWaals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vanderWaals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GPa。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。发现了临界屈曲剪应力很高。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vanderWaals力和周围弹性介质对多壁碳纳米管波传播的影响。分析表明,由于vanderWaals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vanderWaals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,非同轴振动模态将起着致关重要的作用。
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