碳纳米管轴向压缩研究：分子动力学模拟分析

"本文主要探讨了碳纳米管的轴向压缩行为，特别是通过分子动力学模拟来研究单壁和双壁碳纳米管在压缩下的屈曲特性。" 在微纳电子技术领域，碳纳米管因其独特的物理和化学性质，如优异的机械性能和电学性能，成为研究的热点。然而，其稳定性研究受到实验测试技术限制。为了克服这些障碍，科研人员转向使用分子动力学模拟，这是一种基于牛顿运动定律和原子间相互作用势的计算方法，可以模拟纳米尺度下的材料行为。 本文中，作者宋海洋和查新未利用分子动力学模拟技术，对轴向压缩下的单壁和双壁碳纳米管进行模拟。他们采用了Tersoff-Brenner势场结合6-12形式的Lennard-Jones势来描述碳原子间的相互作用，这是一种常见的模拟碳纳米管的力场模型。通过这种方法，他们能够研究不同尺寸碳纳米管在受压时的行为。 研究表明，单壁碳纳米管的屈曲临界力与半径成正比，但半径对临界应力的影响在小直径管中更为显著。在双壁碳纳米管中，外层管首先发生失稳，而双壁管的屈曲临界应变位于其内外单壁管对应临界应变之间。此外，双壁碳纳米管的屈曲临界力显著高于单独的内外管。 这些发现对于理解碳纳米管的结构稳定性，尤其是在纳米电子器件设计和应用中，具有重要意义。双壁碳纳米管的这种特性可能为其在缓冲、增强材料性能或作为纳米尺度结构组件方面提供潜在优势。分子动力学模拟为探索碳纳米管的力学行为提供了无损且经济的手段，有助于推动纳米技术的进一步发展。 关键词涉及的核心知识点包括： 1. 碳纳米管：一种由碳原子构成的管状结构，具有极高的强度和电导率，是纳米科技中的重要材料。 2. 分子动力学模拟：通过计算机模拟原子和分子的运动，研究材料在微观尺度上的行为。 3. 轴向压缩：材料沿其主要轴线方向受到的压缩力。 4. 屈曲行为：材料在受压下发生的非线性变形，可能导致结构失效。 5. Tersoff-Brenner势和Lennard-Jones势：分子模拟中常用的势函数，用于描述原子间的相互作用。 6. 单壁碳纳米管与双壁碳纳米管：不同层数的碳纳米管结构，具有不同的力学特性。 7. 临界力和临界应变：材料发生屈曲前的极限力和变形程度。 8. 纳米电子技术：利用纳米尺度的材料和设备进行电子学研究和应用的技术。