螺旋锥形鱼骨式纳米碳纤维的微观结构及其稳定性研究

作     者：王紫君 

作者单位：华东理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：朱贻安

授予年度：2016年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：纳米碳纤维 分子力学 结构稳定性 中空结构 壁厚 

摘      要：本文基于分子力学方法以及对鱼骨式纳米碳纤维的结构分析,系统的计算并对比了分别采用叠杯模型和螺旋锥模型构造的鱼骨式纳米碳纤维结构势能。分别对鱼骨式纳米碳纤维四个重要的结构参数(如：顶角、外径、内径和石墨片层数)进行调变并考察其对鱼骨式碳纤维结构稳定性的影响,结果表明每个参数对结构的稳定性均存在重要影响。在此基础上,通过经验关系式和几何结构的分析可以分别得到最大内径和最小内径。为了探究纳米碳纤维的几何结构对其自身稳定性影响较大的原因,本文选择两种项角不同的石墨锥,并分别按母线平分为六个部分,进行能量的分析与比较。通过比较两种纳米碳纤维对应部分的能量发现,石墨锥中靠近顶端的六元环扭转程度较大,变形较为严重,不利于纳米碳纤维的稳定存在。尤其对于小顶角的纳米碳纤维,其稳定性受顶端应力的不利影响更为显著。通过增大纳米碳纤维的中空程度,比如增大内径移去靠近顶端的扭曲的碳六元环,可以弱化或者消除顶端应力对结构的不利影响,从而提高纳米碳纤维的结构稳定性。此外,本文通过分析碳原子排布规律,提出了一种计算鱼骨式纳米碳纤维模型中碳原子总数的简便方法,计算结果与实际建模后模型中碳原子数基本一致。为了消除原子数的不同对结构单原子能量的影响,可以通过固定原子数比较不同顶角纳米碳纤维的结构稳定性随壁厚变化情况,获得了固定纳米碳纤维的原子数后,其最优壁厚与顶角的关系。将本文的计算分析结果与实验制备的鱼骨式纳米碳纤维的结构参数进行对比,证实了本文计算结果合理,能为实验现象提供合理的解释。