非公度双壁碳纳米管的层间摩擦

由于层间距和手性的耦合影响,非公度双壁碳纳米管的层间摩擦行为比较复杂,其规律至今仍不清楚.论文采用分子动力学模拟方法,研究了非公度双壁碳纳米管的层间摩擦特性.总体来说,层间距较小或层间手性角差较小时,层间摩擦力较大.当层间手性角差在10°以上时,层间接触接近非公度接触,层间摩擦力几乎不受层间手性影响;此时在层间平衡位置附近(0.34±0.02 nm),层间摩擦力与层间距之间近似呈线性关系.无论层间手性如何匹配,边界原子所受摩擦力总是大于内部原子所受摩擦力,显示边界效应是纳尺度摩擦中的一个普遍现象.     

碳纳米管与石墨基底间摩擦耗散的分子动力学模拟研究

采用分子动力学模拟方法研究了公度、不公度2种情况下碳纳米管在石墨基底上运动的摩擦机制与能量耗散,计算中先使碳纳米管在石墨基底上弛豫平衡,而后施加持续500 fs的固定外力,撤去外力后碳纳米管在基底上减速至相对基底静止.结果表明:在公度条件下,碳纳米管先在石墨基底上滑动,动能降低到一定值后出现翻转、滚动、滑动交替进行的现象.所受侧向力(即摩擦力)在滑动阶段呈现周期性变化,在开始滚动时摩擦力达到负向最大;在不公度条件下,碳纳米管在石墨基底上一直处于滑动状态,侧向力始终为负值;在公度情况下,侧向力对称性的破缺由碳纳米管底部原子与石墨基底原子间的法向趋近与分离引起,并由此而产生摩擦;碳纳米管与石墨基底原子间的相互作用为斥力-碰撞型,黏性摩擦造成了能量耗散.     

碳纳米管的力学性能及碳纳米管复合材料研究

对碳纳米管力学行为和碳纳米管复合材料的研究文献进行了综述.首先介绍了碳纳米管结构稳定性和力学性能的研究进展,包括理论模拟和实验的研究结果.结果表明,碳纳米管有着优异的力学性能,其在复合材料应用方面有着巨大的潜力.然后,系统地总结了碳纳米管在增强高分子材料、金属材料和陶瓷材料方面的应用,指出外场力传递效应是值得关注的课题.最后,对该领域工作做了一些讨论和展望.      

温度梯度与缺陷共同作用下的双壁碳纳米管持续驱动器件

纳尺度驱动因其在能量转换、物质输送等众多领域的潜在应用得到广泛关注,但实现长程持续驱动依然在原理上面临重大挑战．本文借助双壁碳纳米管的层间范德华相互作用,以热梯度力为基本动力,利用外管缺陷对层间热梯度力的调控作用,提出了一种新型的纳尺度可控持续驱动原理．其基本机理是：外管在周期性缺陷和温度场共同作用下形成周期性的非对称温度梯度,在内管上产生周期性的非对称热梯度力,使得每个周期（驱动单元）上都存在净驱动力,从而推动内管实现长程持续运动．同时,内管的运动方向或速度可通过外管上的控温区域或温差控制．     

碳纳米管增强硫化天然橡胶拉伸性能的分子动力学模拟

基于分子动力学(MD)模拟方法,建立了碳纳米管/硫化天然橡胶复合材料体系模型,采用ReaxFF势函数,模拟了不同碳纳米管(CNT)含量的复合材料的拉伸过程.通过计算复合材料体系的自由体积分数、均方位移及回转半径,分析了材料基本微观性质和碳纳米管团聚的机制,计算结果与实验相符.通过碳纳米管与硫化天然橡胶界面能的计算,发现在加载过程中系统总势能的变化主要由硫化天然橡胶基体引起,其中非键能起主导作用;碳纳米管由于其自身力学性能较好,且与天然橡胶分子链相互作用产生界面能,导致材料力学性能提升,材料的屈服应力随碳纳米管含量的增加而显著升高.     

双层金属锥形扁壳的非线性热稳定性

本文提出有关双层金属锥形扁壳在均匀温度场作用下的非线性稳定性的一般理论.将双层壳体的基本方程简化为与经典壳体理论相似的形式,通过比拟,以作用于锥形扁壳边界上的均匀分布的相当边界力矩来替换温度效应,采用修正迭代法求解.文中给出了临界跳跃力矩曲线.它对于工程上各种仪表弹性元件的设计具有一定的参考价值.     

碳纳米管在水中的运动阻力特性

采用分子动力学(MD)方法,模拟了(5,5),(7,7),(10,10)以及(5,5)/(10,10)碳纳米管在水中的速度衰减过程,得到了它们的阻力-速度与阻力-雷诺(Re)数关系曲线,进而将MD模拟的阻力结果与低Re数宏观流体力学(MFD)中圆柱绕流的阻力解进行了对比。研究表明,低Re数下,碳纳米管在水中的阻力要比传统MFD中圆柱绕流的阻力解高数十倍。碳纳米管在水中的阻力可通过圆柱的MFD解乘以(48.58-0.54Re)近似估算。     

碳纳米管改性的双马来酰亚胺树脂力学性质的分子尺度模拟研究

双马来酰亚胺树脂是高性能碳纤维复合材料的新型基体材料,在航空航天等领域具有广泛的应用。目前,相关材料的改性技术、制备工艺以及材料性能等考察仍以实验为主,数值模型及相应的分析方法则相对较少。本文构建了4,4′—二苯甲烷双马来酰亚胺(BDM)和二烯丙基双酚A(DABPA,固化剂)的分子尺度数值模型,实现了与实验过程基本一致的交联反应过程,考察了BDM/DABPA树脂材料的力学性质以及由碳纳米管填充所引起的强化规律和机理。结果表明,树脂材料的力学性质随着交联程度的提高而增加,而短碳纳米管的掺杂也可以进一步增强力学性质。研究工作为基于双马树脂的复合材料设计构建了数值分析技术,为相关材料的性能改进从微观层次提供了有价值的参考。     

镍涂层对碳纳米管/镁复合材料界面结合强度影响的分子动力学模拟

使用分子动力学模拟方法研究了镍涂覆单壁碳纳米管(SWCNTs)增强镁基复合材料的力学行为.结果表明,镍涂覆SWCNT/Mg复合材料的杨氏模量显著大于未涂覆SWCNT/Mg复合材料的杨氏模量,在碳纳米管表面修饰的Ni涂层可有效传递碳纳米管和Mg基体之间的载荷.此外,还研究了Ni涂层数对SWCNT/Mg复合材料界面结合强度的影响.对于不同Ni涂层数,即无Ni涂层、1层Ni涂层和2层Ni涂层,涂覆1层Ni和2层Ni的SWCNT从Mg基体中完全拔出后的界面结合强度分别约为无Ni涂层SWCNT/Mg复合材料界面结合强度的3.9和11.9倍.     

功能梯度碳纳米管增强复合材料结构建模与分析研究进展

功能梯度碳纳米管增强复合材料是一种新一代的先进复合材料。在这种材料中,碳纳米管作为增强体在空间位置上梯度排布。功能梯度碳纳米管增强复合材料的力学行为已成为近年来材料科学与工程科学的研究热点。本文对功能梯度碳纳米管增强复合材料结构的建模与分析的研究进展进行评述,集中讨论功能梯度碳纳米管增强复合材料梁、板、壳在各种载荷条件下,边界条件下和环境条件下的线性和非线性弯曲、屈曲和后屈曲、振动和动力响应。文中所列成果可以看作是进一步研究的基石。最后,提出需要进一步研究的方向。     

基于非局部效应和表面效应的输流碳纳米管稳定性分析

应用非局部黏弹性夹层梁模型分析双参数弹性介质中输送脉动流碳纳米管的稳定性. 新模型中同时考虑了由管道内、外壁上的薄表面层引起的表面弹性效应和表面残余应力,经典的欧拉梁模型因此通过引入非局部参数和表面参数得到了改进. 用平均法对其控制方程进行求解,得到了管道稳定性区域. 数值算例揭示了纳米材料的非局部效应、表面效应及两个弹性介质参数对管道固有频率、临界流速和动态稳定性的复杂影响,结论可为纳米流体机械的结构设计和振动分析提供理论基础.     

基于非局部效应和表面效应的输流碳纳米管稳定性分析简

应用非局部黏弹性夹层梁模型分析双参数弹性介质中输送脉动流碳纳米管的稳定性. 新模型中同时考虑了由管道内、外壁上的薄表面层引起的表面弹性效应和表面残余应力,经典的欧拉梁模型因此通过引入非局部参数和表面参数得到了改进. 用平均法对其控制方程进行求解,得到了管道稳定性区域. 数值算例揭示了纳米材料的非局部效应、表面效应及两个弹性介质参数对管道固有频率、临界流速和动态稳定性的复杂影响,结论可为纳米流体机械的结构设计和振动分析提供理论基础.     

INTERACTION MODELS FOR EFFECTIVE THERMAL AND ELECTRIC CONDUCTIVITIES OF CARBON NANOTUBE COMPOSITES

The present article provides supplementary information of previous works of analytic models for predicting conductivity enhancements of carbon nanotube composites. The models, though fairly simple, are able to take account of the effects of conductivity anisotropy, nonstraightness, and aspect ratio of the CNT additives on the conductivity enhancement of the composite and to give predictions agreeing well with existing experimental data. The omitted detailed derivation of this model is demonstrated in the present article with a more systematical analysis, which may help with further development in this direction. Furthermore, the effects of various orientation distributions of CNTs are reported here for the first time. The information may be useful in design or fabrication technology of CNT composites for better or specified conductivities.     

纳米碳管与刚性壁的正碰撞

用分子动力学方法模拟纳米碳管与刚性壁的正碰撞过程,并与弹性动力学方法的结果进行对比在分子动力学模拟中,采用Tersoff-Brenner势描述碳管的原子间相互作用,用6~12形式的Lennard-Jones势描述碳管与刚性壁间相互作用结果表明,两种方法所得到的应力波传播速度吻合较好与弹性动力学分析结果不同的是,在发生屈曲以前,纳米碳管与刚性壁的接触时间不仅与纳米碳管的长度近似成线性关系,还与管径及碰撞初速度有关.碰撞过程中,纳米碳管端部应力并非定值,但其平均值与弹性动力学计算结果相差不大.     

范德华力对多壁纳米碳管力学性质的影响

用分子动力学方法模拟了多壁纳米碳管在压缩、弯曲变形下力与变形的关系.通过与组成多壁碳管的各单壁碳管的比较分析,揭示了多壁纳米碳管层间范德华力对碳管力学性质的影响.采用Tersoff-Brenner势描述每一单壁纳米碳管内原子间作用,采用Lennard-Jones势描述碳管壁间范德华力.计算结果表明:多壁纳米碳管的比强度明显高于单壁纳米碳管.纳米碳管的半径虽然对杨氏模量影响不大,但对纳米碳管的曲屈行为影响却相当显著.     

宏观碳纳米管聚集体的力学性能及其在复合材料中的应用进展

碳纳米管具有优异的力、电、热、光学等功能特性, 如何在宏观尺度上充分发挥和利用碳纳米管的优异性能是科学家和工程技术人员普遍关注的一个热点. 宏观碳纳米管聚集体是推动碳纳米管应用研究发展的一个重要途径和手段. 系统综述了碳纳米管纤维、碳纳米管薄膜以及碳纳米管阵列等宏观聚集体制备技术方面的最新研究进展, 重点关注了聚集体的力学性能, 并结合我们自身的研究工作, 预测了碳纳米管聚集体在复合材料领域的应用和发展前景以及未来发展中可能的机遇和挑战.      

POSTBUCKLING OF CARBON NANOTUBES SUBJECTED TO CYCLIC LOAD

This study focuses on the postbuckling and the nonlinear behavior of single-walled carbon nanotubes subject to a cyclic axial compressive load through the use of molecular dynamic simulation based on the Tersoff-Brenner potential. It reveals the bifurcation behavior in the buckling process simulated with very fine time steps. In the whole cycle of nonlinear deformation, the carbon nanotubes exhibit the profound hysteretic behavior and the energy absorption ability. The molecular dynamics simulation indicates that the carbon nanotube behaves approximately as an ideal plastic spring when the cyclic strain is applied within the same postbuckling mode. In comparison, the theory of continuum mechanics gives a good prediction about the critical buckling strength, but only provides a rough estimation for the post-buckling behaviors.     

基于辛理论的载流碳纳米管能带分析

基于连续介质力学理论和辛弹性理论,将载流碳纳米管等效为铁木辛柯梁,采用哈密顿变分原理建立了载流碳纳米管的振动控制方程;引入对偶变量将振动控制方程从拉格朗日体系导入到哈密顿体系下;通过波传播方法分析了载流碳纳米管的能带结构;研究了流体密度、流速对载流碳纳米管能带结构的影响;同时计算了载流碳纳米管的散射矩阵. 研究发现:管内流速以及流体密度对剪切频率和弯曲频率有着非常重要的影响. 研究结果表明:载流碳纳米管的剪切频率和弯曲频率因流体的加入而减小,并随流速及流体密度的增大而减小;通过对数值结果的分析发现:载流碳纳米管由于管内流体、流速以及流体密度的作用,会使得载流碳纳米管变的更“软”. 其中,哈密顿体系下所得出的载流碳纳米管弯曲频率随管内流体密度的增加而变小,有别于在拉格朗日体系下非局部梁理论所得的结论. 同时,数值结果表明散射矩阵是酉矩阵,辛体系下的入射波功率流与反射波功率流相等,即功率流守恒,体现了辛弹性力学理论的优越性.      

工程因素对围岩稳定性影响三维数值模拟分析

结合某地下工程实际,运用FLAC^3D模拟了巷道断面形状、开挖面距离以及开挖顺序对巷道围岩稳定性的影响,并模拟了围岩深部多点位移规律。结果表明,相同围岩条件下,不同断面形状其力学效应不同,同一断面在不同围岩条件下变形不一样;围岩水平位移曲线随开挖面的距离呈“S”形,围岩水平最大位移主要发生在距开挖面后方 2倍巷道长径的范围内;Ⅲ级围岩深部位移影响范围约 2 .8～ 4 .3m,Ⅳ级围岩影响范围 6 .9～ 7.8m;对较大断面,分步开挖有利于围岩控制。