纳米材料力学性能的多种尺度模拟

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1、摘要纳米科技促使新的纳米材料不断产生。一维纳米材料是指在三维空间中有两维处于纳米尺度范围的材料，如碳纳米管、金属纳米丝等。纳米材料由于其结构的特殊性和大的比表面积而表现出一系列新的效应，如小尺寸效应、表面效应、量子效应和量子隧道效应等，这使得纳米材料具有许多不同于传统材料的独特性能。仅仅通过实验方法并不能完全了解纳米材料的微观结构、性能及内在机制，随着计算机技术的进步，计算机模拟已广泛应用于材料科学的研究中。本文以碳纳米管及纳米金属Cu丝等一维纳米结构为研究对象，采用分子动力学、连续介质壳模型及分子结构力学

2、方法，对其变形等力学性能进行多种尺度下的模拟。主要研究内容如下：(1)本文采用分子动力学方法，研究轴向载荷下单壁碳纳米管的静动力屈曲问题，并计算碳纳米管的轴向弹性模量。建立单壁碳纳米管的悬臂梁模型并研究碳纳米管在径向压缩载荷作用下的变形。(2)分别采用连续介质壳模型及分子结构力学方法，研究轴向载荷作用下单壁碳纳米管的静动力屈曲问题，得到不同尺寸单壁碳纳米管的临界屈曲应变，将所得结果与分子动力学进行比较，并总结这几种方法各自的优缺点及其适用范围。(3)采用分子动力学方法，建立纳米单晶Cu丝的分子动力学的计算模

3、型，研究纳米单晶Cu丝在拉伸、压缩及弯曲载荷作用下的变形，得到纳米单晶Cu丝的变形规律。关键词：碳纳米管；纳米单晶Cm分子动力学；连续介质；分子结构力学AbstractNano．ScienceandTechnologybringsnumerousnewnano-materials．One．dimensionalnano．materialmeansthattherearetwo．dimensionbelongstothenano．scaleinthethree．dimensionalspace．suchasc

4、arbonnanotubesandmetalnanosilk．Becauseofitsspecialstructureandbigspecificsurfacearea,nano．materialbehavesaseriesofneweffects，suchassubsizeeffect，surfaceeffect，quantumeffectandquantumtunneleffect，whichbringmanydistinguishingpropertiesdifferentfromtraditiona

5、lmaterials．OnlYbyexperimentation，itisdifficulttOcompletelyunderstandmicrocosmicstructure，propertiesandintrinsicmechanismofnano．materials．Withtheprogressofcomputertechnology,computersimulationiswidelyappliedtomaterialresearch．Inthispaper,moleculardynamicmet

6、hod．continuumshellmodelandmolecularstructuralmethodareadoptedtOstudythemechanicalpropertiesofcarbonnanotubesandnano．singlecrystalcopperwires．Themaincontentsareasfollows：(1)Becauseofthespecialnanostructure，carbonnanotubesbehave10tsofexcellentproperties．Them

7、oleculardynamicmethodisappliedtOstudythestaticordynamicbulkingofsingle—walledcarbonnanotubesunderaxialloadingandobtaintheaxialYoung’Smodulus．Buildupacantileverbeammodelandanalyzetheradialdeformationofsingle．walledcarbonnanotubesunderradialcompressionload．(

8、2)Thecontinuumshenmodelandmolecularstructuralmodelareappliedrespectivelytomodelingstaticanddynamicalbulkingofsingle-walledcarbonnanotubes，thecriticalbucklingstrainofdifferentsizecarbonnanotubesarecomputedandc