利用原子模拟研究随机出现的 Stone-Wales 缺陷对碳纳米管力学性能的影响
材料科学
2015-07-29 v1
摘要
尽管碳纳米管（CNTs）被发现具有超高刚度与强度，可用实验数据中亦观察到巨大的散布。本文采用原子模拟（AS）技术研究了随机分布的 Stone-Wales（SW 或 5 7 7 5）缺陷对单壁纳米管（SWNTs）力学性能的影响。应用在有界圆柱面上的 Matern 硬核随机场用于描述 Stone-Wales 缺陷的空间分布。我们模拟了一组位移控制的拉伸加载直至 (6,6) 扶手椅与 (10,0) 锯齿形构型且长径比约为 6 的 SWNTs 发生断裂。采用修正的 Morse 势模拟原子间作用力。我们发现若存在一个缺陷，断裂总是从缺陷发起；对于无缺陷管，裂纹在相当随机的位置发起。力-位移曲线通常表现为几乎线性直至约一半，尽管无明显屈服点。三种力学性能——刚度、极限强度与极限应变——由模拟的力与位移时程算出。发现仅由初始速度分布导致的力学行为随机性在室温下不显著。管的平均刚度、极限强度与极限应变随平均缺陷数增加而降低，尽管变异系数未呈现此种单调趋势。当管原本无缺陷时，引入一个额外缺陷对力学性能随机性的影响最为显著。我们还发现，对于给定管中平均缺陷数，与扶手椅管相比，锯齿形构型平均具有更低的强度与更低的极限应变，但其刚度与极限应变具有更多不确定性。
引用
@article{arxiv.1507.07857,
title = {Effect of randomly occurring Stone-Wales defects on mechanical properties of carbon nanotubes using atomistic simulation},
author = {Qiang Lu and Baidurya Bhattacharya},
journal= {arXiv preprint arXiv:1507.07857},
year = {2015}
}