表面改性碳纳米管径向力学特性的分子动力学模拟研究

纳米材料是21世纪最有前途的一类材料。纳米材料往往会表现出一些新奇的物理、化学特性。本文以碳纳米管(CNT)为研究对象，采用分子力学及分子动力学计算方法系统地研究了手性、缺陷、修饰等因素对CNT的径向塌陷和弹性等力学特性的影响规律及其机理。由于CNT的力学行为与传统宏观及微观材料有很大的差异，深入研究并充分认识CNT的力学特性对于基于CNT的纳电子器件或纳米器械的设计、开发与应用是极其重要的。主要研究内容和学术贡献如下：(1)研究了共价键修饰对单壁CNT(SWNT)径向塌陷和弹性的影响。研究发现共价键修饰的SWNT的径向塌陷和弹性很大程度上依赖于修饰基团的极性和浓度；通过对本征SWNT与共价键修饰的SWNT塌陷过程的比较分析，揭示了范德华能和库仑能影响SWNT稳定性的物理机制。结果表明，极性较大的官能团如羟基、氨基和羧基能够增大SWNT的塌陷压强(Pc)，但是减小SWNT的径向弹性。2.5-5.0%氟基团(-F)修饰的SWNT(F-SWNT)能够基本维持本征SWNT的弹性，并且F-SWNT的Pc增加了11.3-21.8%。因此，F-SWNT是高负载纳米复合材料理想的增强剂。研究结果具有实际意义，能够对高负载F-SWNT基聚合物纳米复合材料的力学性能的理解提供指导。(2)研究了手性、Stone-Wale缺陷及缺陷方向对SWNT径向塌陷及弹性的影响。研究发现本征和含Stone-Wale缺陷的SWNT塌陷过程由SWNT中六元环的排列方式、缺陷中五元环和七元环的方向决定。通过构建物理模型：将六元环、五元环以及七元环在弯曲方向垂直投影，揭示了含缺陷SWNT塌陷过程的物理机制。物理模型能够定性地解释模拟结果。结果表明，SWNT(10,10)的Pc是SWNT(17,0)的13.75倍；含Stone-Wale缺陷的SWNT(10,10)比本征SWNT(10,10)更易塌陷，而含Stone-Wale缺陷的SWNT(17,0)比本征SWNT(17,0)更难塌陷。含缺陷SWNT的径向力学特性为SWNT在高负载复合材料方面的应用提供了理论指导；缺陷和形变通常会改变SWNT的电学特性，含缺陷SWNT的径向形变规律为研究缺陷和径向形变对SWNT的电学性能的影响指明方向。(3)研究了富勒烯(C60)填充SWNT (r=6.78)(C60@SWNT)的径向塌陷和弹性。研究发现C60可以使锯齿型SWNT由无弹性向超弹性转变，卸载时能够使得SWNT迅速恢复并维持其结构完整；并且，C60的填充数量可以调节SWNT的径向弹性。C60@SWNT的耐高压性使其在复合材料或复杂力学材料的支架方面有很大的潜在应用；径向形变和填充都会改变SWNT的电学特性，鉴于C60@SWNT在卸载时的可恢复性，C60@SWNT可以制备纳米继电器、存储器等用在纳米机电系统中的纳电子器件。系统地研究了C60填充的SWNT (r>6.78)的径向塌陷和弹性，模拟结果与实验结果一致。结果表明，对于10.88>r>6.78的SWNT，C60填充引起SWNT受力不均匀导致SWNT在低压下发生塌陷；对于r>10.88的SWNT，C60填充虽能够使系统的Pc增加，但使系统的径向弹性变差。通过构建物理模型：利用Lennard-Jones势描述C60与SWNT的相互作用，揭示了C60@SWNT的径向塌陷和恢复过程的物理机制，为实验结果提供了理论指导。(4)研究了石墨烯(GN)和不同聚合物填充SWNT的抗压特性和径向弹性。研究表明，GN与SWNT的范德华相互作用以及GN与SWNT之间的π-π堆垛相互作用，使得GN在SWNT内部形成螺旋结构。GN在SWNT中的均匀填充可以有效的增强SWNT的抗压特性，并优化其径向弹性。研究了不同柔性聚合物在SWNT中的填充。研究表明聚合物的刚性以及聚合物主链中的芳香环决定了聚合物在SWNT内部的形貌：刚性聚合物在SWNT内部呈类螺旋结构分布；半柔性聚合物在SWNT内部呈S型分布；柔性聚合物虽能够填充SWNT，但在SWNT中呈现无序结构。研究了不同聚合物长链填充SWNT的抗压特性和径向弹性。结果表明聚合物填充能提高SWNT的抗压特性；聚合物的刚性、填充量以及芳香环的多少与填充SWNT的径向弹性有密切关系：部分聚合物可以优化SWNT的径向弹性，部分聚合物恶化了SWNT的径向弹性。聚合物填充的SWNT，鉴于其高的抗压特性，可以作为高负载复合材料的骨架。