单壁碳纳米管弹性与压杆稳定性的分子动力学模拟研究

本文主要探讨了单壁碳纳米管的弹性模量测定以及其压杆稳定性分析。研究者包红锋、胡翰等人利用分子动力学模型对该类(5,5)型单壁碳纳米管的力学特性进行了深入研究。他们发现，随着壁厚的变化，碳纳米管的弹性模量呈现出显著差异。当壁厚为0.066纳米时，弹性模量达到4.5太帕(TPa)，而壁厚增加至0.34纳米时，弹性模量降为890吉帕(GPa)，这与壁厚成线性关系，符合公式E = Ch，其中C为常数。 文章模拟了大长细比单壁碳纳米管在压缩过程中的行为，通过与欧拉公式进行对比，当碳纳米管的几何尺寸满足欧拉公式的基本条件时，即满足长细比限制，分子动力学模拟结果显示碳纳米管的压杆稳定性与欧拉公式计算出的结果相吻合。这表明欧拉公式在一定程度上仍然适用于评估这类纳米管的压杆稳定性问题。 欧拉公式是经典力学中用于计算压杆稳定性的重要工具，它考虑了材料的刚度和长度对稳定性的影响。然而，由于碳纳米管的特殊性质，如极高的刚度和较小的尺寸效应，使得传统理论计算可能不完全适用。因此，分子动力学模拟作为一种数值方法，能够提供更为精确的弹性模量和稳定性评估。 在论文的前言部分，作者强调了随着纳米尺度的减小，碳纳米管的强度有望提高，因为单位长度的缺陷减少。同时，碳纳米管的六边形结构和高回弹性使其具有良好的力学性能。然而，不同的理论模型和壁厚选择会导致弹性模量的估算存在差异，这也提醒了研究者在实际应用中需要考虑到这些因素。 本研究不仅提供了单壁碳纳米管弹性模量的具体数值，还验证了欧拉公式在压杆稳定性分析中的适用性，并强调了壁厚对纳米管力学特性的重要影响。这对于理解和优化碳纳米管在纳米技术领域的应用具有重要意义，尤其是在传感器、纳米机械臂等领域，其稳定的压杆性能至关重要。