锯齿形单壁碳纳米管的断裂阻力
材料科学
2015-08-11 v1
摘要
脆性断裂是单壁碳纳米管 (SWNT) 因机械载荷导致的重要失效模式之一。本文基于原子模拟，利用断裂力学概念计算了具有预存缺陷的锯齿形 SWNT 的断裂阻力。通过一系列位移控制拉伸载荷（以恒定应变率 9.4x10-4/ps 移动一端最外层原子实现）计算应变能释放率，规避了有限温度下由晶格捕获效应引起的不稳定裂纹扩展问题，载荷施加于具有不同长度预存裂纹状缺陷的 SWNT 上。对具有预存裂纹长达 29.5{\AA} 的 (17,0)、(28,0) 和 (35,0) SWNT（长宽比均为 4）计算了应变能释放率 G。在三个不同温度（1K、300K 和 500K）下，确定了每根管的断裂阻力 Gc 作为裂纹长度的函数。观察到 Gc 对裂纹长度的显著依赖，令人联想到宏观尺度下金属的上升 R 曲线行为：对于锯齿形纳米管，Gc 在较小长度时随裂纹长度增加，若管径足够大则趋于恒定值。我们推测晶格捕获效应在原子尺度起到了裂纹尖端塑性的作用。例如，在 300 开尔文时，长宽比为 4 的 (35,0) 管的 Gc 在裂纹长度超过 20 埃时收敛到 6 焦耳/平方米。该值与石墨和硅的断裂韧性相当。发现管的断裂阻力随温度升高显著下降。为研究长度效应，在 1K 下对具有相同三种手性但长宽比为 8 的锯齿形纳米管重复了计算。
引用
@article{arxiv.1508.02129,
title = {Fracture resistance of zigzag single walled carbon nanotubes},
author = {Qiang Lu and Baidurya Bhattacharya},
journal= {arXiv preprint arXiv:1508.02129},
year = {2015}
}