【摘 要】
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纳米碳材料具有独特的微观结构以及优异的力学、电学、磁学、光学性能,在诸多领域具有广阔的应用前景。在对纳米碳材料力学性能研究的过程中,由于微纳米力学实验手段的局限性,原子模拟方法的限制和纳米碳材料自身结构的不完整性等问题,仅凭实验测量或原子模拟难以揭示较大分子结构的纳米碳材料的力学行为及微观结构对其性能的影响。本文采用分子结构力学理论建立了纳米碳材料力学行为的数学模型,在此基础上应用有限元分析技术,
【基金项目】
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国家自然基金No.51472203:基于云理论的热解炭基C/C复合材料微观结构-力学性能量化关系研究； 国家自然基金No.51502242:SiC纳米线/CVD石墨烯/热解炭复合材料制备、界面结构与力学性能研究； 国家自然基金No.51432008:C/C复合材料预制体中碳纳米管可控生长与强韧机制；
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纳米碳材料具有独特的微观结构以及优异的力学、电学、磁学、光学性能,在诸多领域具有广阔的应用前景。在对纳米碳材料力学性能研究的过程中,由于微纳米力学实验手段的局限性,原子模拟方法的限制和纳米碳材料自身结构的不完整性等问题,仅凭实验测量或原子模拟难以揭示较大分子结构的纳米碳材料的力学行为及微观结构对其性能的影响。本文采用分子结构力学理论建立了纳米碳材料力学行为的数学模型,在此基础上应用有限元分析技术,对纳米碳材料中的单壁碳纳米管、双壁碳纳米管、竹节形碳纳米管及带状石墨烯的弹性性能以及含有缺陷的单壁碳纳米管的断裂问题进行了模拟研究和实验对比,重点分析纳米碳材料的微观结构及缺陷对其力学性能的影响,以期达到在原子尺度上对纳米碳材料力学性能准确预测的目的。主要研究内容如下:1)首先,应用分子结构力学理论建立了纳米碳材料力学行为研究的数学模型。基于原子势的能量等效,将碳碳键键的属性赋予等效梁单元;通过采用Lennard-Jones势描述多壁碳纳米管管层间范德华力的作用,将层间范德华力的属性赋予等效非线性弹簧单元;采用修正的Morse势函数对碳碳键的断裂进行了定量描述,由此建立纳米碳材料力学行为的数学模型。2)根据分子结构力学理论,应用ANSYS有限元软件建立了单壁及双壁碳纳米管的有限元模型,对单、双壁碳纳米管的有限元模型施加拉伸、弯曲和扭转载荷,计算碳纳米管的力学性能指标,并具体分析了碳纳米管结构参数（管径及手性）对其性能的影响。3)对无缺陷及含有原子空位缺陷的单壁碳纳米管断裂行为进行了模拟。研究了单壁碳纳米管在轴向拉伸载荷作用下发生断裂,以及缺陷对于无缺陷、含单原子及双原子空位缺陷单壁碳纳米管断裂性能的影响,并结合不同缺陷密度单壁碳纳米管纤维的拉伸测试证明了计算结果的准确性。4)通过实验观测了竹节形碳纳米管的微观结构,应用分子结构力学结合有限元分析的方法模拟了竹节形碳纳米管的拉伸和弯曲行为。根据竹节形碳纳米管碳碳键特殊的杂化过程,模拟了竹节形碳纳米管的微观结构,应用分子结构力学结合有限元分析的方法计算了不同结构参数的竹节形碳纳米管的力学性能参数,并与理想单壁碳纳米管的性能进行了比较分析,将计算结果与实验测试结果进行了对比,二者在力学规律上具有较好的一致性。5)建立了不同尺寸及边缘形状的单层及多层带状石墨烯的有限元模型,对单层及多层带状石墨烯拉伸力学性能进行模拟。研究揭示了具有不同边缘形状的带状石墨烯结构参数（长度、宽度及层数）对其拉伸力学性能的影响规律。本文验证了分子结构力学理论在纳米碳材料力学性能研究领域的有效性,对纳米碳材料力学性能的研究起到数值模拟方法上的指导和数据的积累作用,为纳米碳材料质量控制及断裂预防提供理论指导。
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